Este manuscrito descreve o processamento dos componentes de cerâmicas multifuncionais único (por exemplo, combinações de estruturas densas porosa) aditivamente fabricado por estereolitografia.
Uma tecnologia de fabricação aditiva é aplicada para obter peças cerâmicas funcionalmente classificadas. Esta tecnologia, baseada em processamento de luz digital/estereolitografia, é desenvolvida no âmbito do projecto Europeu de investigação CerAMfacturing. Uma tridimensional (3D) hemi-maxilar osso-como a estrutura é 3-d imprimido utilizando misturas de polímeros de óxido de alumínio personalizado. Os pós e misturas são totalmente analisadas em termos de comportamento reológico para assegurar a adequada manipulação durante o processo de impressão de material. A possibilidade de imprimir funcionalmente classificados materiais usando a Admaflex tecnologia é explicada neste documento. Campo de emissão de microscopia eletrônica de varredura (FESEM) mostram que a peça de cerâmica de óxido de alumínio sinterizado tem uma porosidade inferior a 1% e não tem resto da estrutura em camadas original encontra-se após a análise.
Alta-complexo cerâmicas técnicas estão cada vez mais na demanda em quase todos os campos de aplicação, incluindo muitas áreas industriais. O campo da saúde humana encontra mais e mais aplicações devido a facilidade de individualização dos produtos para cada paciente. Na última década, fabrico aditivo aprimorou as opções de tratamentos médicos individuais.
Aditivo de fabricação (AM) é uma tecnologia de processamento que permite a tradução de um modelo 3D gerado por computador em um produto físico por adição sequenciada de material. Em geral, uma série de camadas 2D formam uma pilha que resulta em uma forma 3D, permitindo a produção de componentes com uma, até agora, sem precedentes liberdade de design. Este é considerado ser o estado-da-arte tecnologia modeladora para polímeros e metais. As primeira das tecnologias industriais para processamento de cerâmica estão disponíveis1,2, e quase todas as tecnologias de AM conhecidas são utilizadas para AM de single-material cerâmica em laboratórios em todo o mundo,3,4, 5. AM, especialmente a estereolitografia, começou na década de 1980 e foi desenvolvido pelo casco6. Fabricação de diferentes abordagens e materiais levam a uma variedade de propriedades de produto, como tamanho, aspereza ou propriedades mecânicas. Todas as técnicas de fabricação de aditivos podem ser classificadas em dois grupos: direto aditivo fabricação tecnologias5, que se baseiam a deposição selectiva do material (por exemplo, material de processos como a jato de tinta direto de jateamento Impressão ou impressão 3D termoplástica [T3DP])7,8,9,10e tecnologias de fabrico aditivo indireto, que se baseiam a consolidação seletiva do material que é depositado na camada inteira (por exemplo, cerâmica estereolitografia [SLA]).
A complexidade e a prontidão das novas aplicações exigem uma melhoria das tecnologias de processamento cerâmico de AM. Por exemplo, aplicações industriais ou médicas inovadores especiais precisa incluir propriedades diferentes dentro do mesmo componente, que leva a classificados funcionalmente materiais (FGMs). Estes materiais incluem uma variedade de propriedades sobre transições na microestrutura ou o material11. Essas transições podem ser discretos ou contínuos. Diferentes tipos de FGMs são componentes conhecidos, tais como componentes com gradientes materiais ou porosidade graduada, bem como multi-coloridas. Componentes de mutilação genital feminina podem ser fabricados pelo único convencional enformação tecnologias12,13,14,15,16,17 , ou por uma combinação destas tecnologias, por exemplo, no molde rotular-se como uma combinação de injeção e fundição de fita molde18,19.
Para combinar os benefícios do AM, com as vantagens da FGMs para componentes baseados em cerâmica de 4-D20 (três dimensões para a geometria e um grau de liberdade relativa as propriedades de material em cada posição), Admatec Europa desenvolveu uma estereolitografia 3D impressão dispositivo baseado no âmbito do projecto de investigação europeu “CerAMfacturing” para o AM de multi-funcionais ou multi materiais componentes.
A tecnologia adaptada para componentes de mutilação genital feminina é uma abordagem baseada em estereolitografia que emprega um processador digital de luz (DLP) como fonte de luz que contém um chip de dispositivo digital micromirror (DMD), usado para polimerizar uma resina que pode ser misturada com pós diferentes. O chip DMD tem uma matriz de espelhos microscópicos várias centenas de milhares, que correspondem aos pixels da imagem a ser exibido. Os espelhos podem ser girados individualmente para definir uma posição liga-desliga do pixel. As resinas mais comumente empregadas são baseadas em misturas de monômeros de acrilato e/ou uretano. Nestas misturas, também encontramos outros aditivos, tais como a absorção de luz fotoiniciador moléculas e corantes. A mistura de resina normalmente é colocada em um recipiente ou banho, também chamada de IVA. A polimerização é induzida pela reação de uma molécula de fotoiniciador (PI), com os fótons de luz gerados por chip DMD. Estruturas de monômero da resina diferentes podem resultar em taxas diferentes da polimerização, encolhimento e estrutura final. Por exemplo, o uso de monofuncionais monômeros vs polifuncionais monômeros tem um efeito no cross-linking da rede polimérica.
Um dos parâmetros mais importantes a ter em conta com cerâmica SLA é o efeito de espalhamento de luz produzido quando a luz (fótons) percorre através de diferentes materiais. Isto é altamente impactante; Neste caso, as resinas são combinadas com uma quantidade de pó para gerar uma suspensão ou chorume. O chorume é, então, composto por materiais que apresentam um índice de refração diferente para a luz. Uma grande diferença entre os valores de índice de refração da resina e o pó afeta a precisão dimensional das camadas, as taxas de polimerização e a dose total de luz para desencadear a reação de polimerização. Quando a luz entra a suspensão, as partículas de pó (i.e., cerâmica, metal ou outros polímeros) difração do feixe luminoso. Este efeito induz uma mudança no caminho original dos fótons (irradiados). Se os fótons tem uma trajetória oblíqua à direção da exposição, eles podem gerar uma reação de polimerização em um local que pode ser transversal ao sentido original. Este fenómeno resulta em superexposição quando a área do chorume curado é maior que a área exposta. Da mesma forma, ele irá sub-expor, quando a camada de chorume curado é menor que a área originalmente exposta.
Dentro o manuscrito, a pesquisa para o AM de componentes da alumina, combinando uma densa e se estrutura, percebi que, usando a tecnologia de Admaflex, é descrita. Como explicado no projecto de investigação Europeu de “CerAMfacturing”, a produção de peças cerâmicas de MGF requer uma alta resolução e boas propriedades de superfície para atender as exigentes aplicações. Tecnologias de stereolithographic DLP, como descrito aqui, o que permite que os pesquisadores obter tais componentes baseados em cerâmica, totalmente funcionais.
Para implantes médicos, a matéria-prima tem de ser de alta pureza, idealmente de 99,9% e superior. Neste projeto, é usado um pó da alumina não comercial com uma distribuição granulométrica estreita, uma partícula médio tamanho < 0.5 µm e uma superfície específica de aproximadamente 7 m/g2. Como alternativa, também é possível usar composições materiais comerciais.
Para atingir as condições de manipulação mais adequadas para estas lamas de cerâmica-polímero particulares, usam a tecnologia de impressão acima mencionada. Esta tecnologia é equipada com um sistema de folha de transporte que carrega o chorume de um reservatório para a área de impressão. A área de impressão é composta por uma superfície de vidro transparente na parte inferior, em que há uma fonte de luz que projeta as camadas em fatias. Na parte superior da área de impressão, há uma plataforma de construção que pode se mover verticalmente para cima e para baixo graças a um slide do eixo z. O produto, em seguida, paira sobre a superfície da chapa de impressão de metal que pode ser anexada por sucção à vácuo, acima da área de impressão. O chorume não utilizado é então coletado por um limpador, recondicionado e bombeado de volta para o reservatório original, criando assim um circuito fechado que permite que os pesquisadores reutilizar a pasta que não foi consumida para a construção do modelo 3D. Parâmetros de software diferente podem ser alterados a fim de adaptar o processo de composições diferentes de chorume e enchimentos cerâmicos. A impressora deve ser colocada em um quarto com luz controlada, temperatura e umidade configurações. O quarto deve estar equipado com um filtro UV para a luz exterior; Além disso, é recomendável ter uma temperatura de cerca de 20-24 ° C e uma humidade relativa inferior a 40%. A imagem latente FESEM mostra uma aparente maior do tamanho médio da partícula de pó da alumina após deagglomeration, comparado com as análises de material teórico 0.45-µm da alumina pelo fornecedor. Isto pode ser explicado em termos de aglomeração. Durante a secagem, após a etapa de deagglomeration, as partículas re-aglomeram, como visto na Figura 1. Durante a preparação da suspensão, as re-aglomerado de partículas podem ser dispersa graças a etapa functionalization superfície. Um menor tamanho de partícula aparente pode ser visto no FESEM da imagem latente do chorume na Figura 3.
No que se refere o comportamento reológico, um chorume ideal para cerâmica tecnologia SLA (por exemplo, Admaflex tecnologia) deve ter uma tesoura de desbaste de comportamento (ou seja, diminuição de viscosidade dinâmica em maiores taxas de cisalhamento). Para um elenco ideal na folha de suporte ou utilização dentro de uma unidade de distribuição, a viscosidade dinâmica deve ser mantida a uma distância ideal a taxas de baixo cisalhamento. Em caso de muito alta viscosidade dinâmica em taxas de baixo cisalhamento, a carcaça de uma camada da pasta de 200 µm pode ser dificultada pela falta de fluxo para preencher a lacuna sob a lâmina. Se a viscosidade dinâmica é muito baixa, a suspensão pode fluir por si só do reservatório abaixo da lâmina ou longe a folha de suporte devido ao fluxo natural (gravidade). Para todas as suspensões investigadas, a viscosidade dinâmica diminui com uma crescente taxa de cisalhamento. O comportamento do fluxo de suspensão ideal é dada pela composição 1 (Figura 2). Diferentes alterações na composição do chorume afetam o comportamento reológico da suspensão. O comportamento de fluxo ideal com uma baixa viscosidade dinâmica na faixa necessária foi alcançado pela suspensão composto 1. Um aumento do conteúdo em pó ou um conteúdo não-ideal do agente dispersante (composto 2) e uma alteração da relação de fichário-crosslinker usando uma quantidade maior de agente reticulante multifuncional (composição 3) levou a um aumento da viscosidade dinâmica, disadvantageously para o processo. Se o conteúdo de pó é menor, juntamente com um menor teor de agente reticulante multifuncional e em combinação com um conteúdo não-ideal do agente dispersante (composição 4), a viscosidade dinâmica é fortemente reduzida, possivelmente levando a uma instável suspensão.
A mudança no módulo de armazenamento G´ das lamas após irradiação de luz pode ajudar a aprender mais sobre o comportamento de curando das suspensões. Isto é complementado por testes experimentais sobre a profundidade de cura para o dispositivo de impressão em si. O comportamento de curando em diferentes tempos de curando foi caracterizado por uma suspensão de alumina com um comportamento reológico ideal. Antes de cura começa, a suspensão mostra um baixo nível de G´ e apresenta valores abaixo de 100 PA. Quando a cura começa, uma polimerização dos fotorreativas orgânicos pode ser inferida pelo aumento de G´ para um nível superior. Com um tempo de cura crescente, a inclinação da G´ aumenta ao máximo em uma escala de 105 a 107 Pa que depende da composição. Um tempo de cura de 1 s levou a um final G´ abaixo 106 Pa, o que não é suficiente para uma força mínima necessária. Com um tempo de cura crescente, mais energia (fótons) é fornecida para a suspensão, o que leva a uma maior G´ como resultado um mais rápido e alto grau de conversão (maior declive). O tempo de cura ideal para a suspensão de alumina desenvolvidos deve ser em um intervalo de 2 a 3 s. Com um tempo de polimerização de 4 s, o nível final de G´ e a inclinação de cura têm grandes valores, acima de 2 x 106 PA. A conversão está quase completa e quase sem polímeros não polimerizados existem. Fornecimento de energia adicional pode resultar em overcuring o chorume e um endurecimento excessivo do polímero, resultando em uma estrutura frágil que tem um efeito adverso sobre o acessório do produto com a plataforma do edifício.
O componente de teste single-MGF escolhido para este manuscrito é uma implante de hemi-maxilar estrutura que contém uma densa camada externa e um núcleo central de como osso poroso, como pode ser visto na Figura 5. Este modelo poderia ser fabricado e sinterizado livre de defeitos, como visto pela imagem FESEM aditivamente. Belas estruturas e espessuras de parede (menos de 0,1 mm) podem ser realizadas e nenhuma deformação aparente durante a sinterização ocorreu. Verificou-se que a microestrutura dos componentes único da alumina é típica para o processamento de cerâmico de alumina nas temperaturas de sinterização determinado, com uma granulometria homogênea. A porosidade nas áreas em massa é muito baixa ( 99%, em comparação com a densidade teórica, foi alcançado.
The authors have nothing to disclose.
Este projeto recebeu financiamento do União Europeia Horizonte 2020 programa de pesquisa e inovação sob Grant acordo n 678503.
Taimicron (TM-100D) | Taimei Chemicals Co Ltd., Japan | … | alumina (commercial) |
BYK LP C22124 | BYK-Chemie GmbH, Germany | … | dispersant |
Mastersizer 2000 | Malvern Instruments Ltd., United Kingdom | … | laser diffractometer |
TriStar 3000 | Micromeritics Instrument Corp., USA | … | adsorption/desorption |
Pulverisette 5/4 classic line | Fritsch GmbH, Germany | … | planetary ball mill |
Thinky ARV-310 | C3-Prozesstechnik, Germany | … | high-speed planetary ball mill |
Modular Compact Rheometer MCR 302 | Anton Paar, Graz, Austria | … | rheometer |
UV-LED Smart | Opsytec Dr. Gröbel GmbH, Germany | blue LED | |
prototype | Admatec, Netherland | … | Admaflex |
NA120/45 | Nabertherm, Germany | … | debinding furnace |
LH 15/12 | Nabertherm, Germany | … | sintering furnace |
Gemini 982 | Zeiss, Germany | … | FESEM |