Detta manuskript beskriver behandlingen av enda multifunktionell keramiska komponenter (t.ex., kombinationer av tät-porös strukturer) additivt tillverkade av stereolithography.
En additiv tillverkning-teknik används för att erhålla funktionellt graderade keramiska delar. Denna teknik, som bygger på digital light processing/Stereolitografi, är utvecklat inom ramen för det europeiska forskningsprojektet CerAMfacturing. En tredimensionell (3-D) hemi-käk ben-liknande struktur är 3-D skrivs ut med anpassade aluminiumoxid polymera blandningar. De pulver och blandningar är fullt analyseras i termer av reologiska beteende för att säkerställa korrekt materialhantering under tryckprocessen. Möjlighet att skriva ut funktionellt graderade material med hjälp av den Admaflex tekniken förklaras i detta dokument. Fält-utsläpp skanning elektronmikroskopi (FESEM) visar att den sintrad aluminiumoxid keramiska delen har en porositet som är lägre än 1% och ingen återstoden av den ursprungliga skiktad strukturen hittas efter analys.
Kick-komplex teknisk keramik är alltmer efterfrågade i nästan varje tillämpningsområde, inklusive många industriella områden. Området för mänsklig sjukvård finner fler och fler applikationer till följd av lättheten av individualisering av produkterna för varje patient. Under det senaste decenniet, har additiv tillverkning förbättrade alternativ för enskilda medicinska behandlingar.
Additiv tillverkning (AM) är en bearbetningsteknik som gör översättningen av en datorgenererad 3D-modell till en fysisk produkt av sekvenserade tillskottet av material. I allmänhet en serie 2D-lagren bildar en stapel som resulterar i en 3D-form, vilket gör att produktionen av komponenter med en, hittills, aldrig tidigare skådad frihet i design. Detta anses vara state-of-the-art forma teknik för polymerer och metaller. De första industriella teknikerna för keramisk bearbetning är tillgängliga1,2, och nästan alla kända AM teknik används för AM single-material keramik i laboratorier över hela världen3,4, 5. AM, särskilt Stereolitografi, började på 1980-talet och utvecklades av skrovet6. Olika tillverknings metoder och material leda till en mängd produktegenskaper, såsom storlek, ojämnheter eller mekaniska egenskaper. Alla additiv tillverkningsteknik kan delas in i två grupper: direkt additiv tillverkning teknik5, som bygger på selektiv nedfallet av material (t.ex., det material som sprutas processer som direkt Inkjet Eller termoplast 3D-utskrift [T3DP])7,8,9,10, och indirekt additiva tillverkningstekniker, som bygger på en selektiv konsolidering av materialet som deponeras på hela skiktet (t.ex., keramiska stereolithography [SLA]).
Komplexiteten och beredskap för nya tillämpningar kräver en förbättring av AM keramisk bearbetning teknik. Till exempel har särskilda innovativa industriella och medicinska tillämpningar att inkludera olika egenskaper i samma komponenten, vilket leder till funktionellt graderade material (FGMs). Dessa material inkluderar en mängd olika boenden om övergångar i mikrostrukturen eller den materiella11. Dessa övergångar kan vara diskreta eller kontinuerlig. Olika typer av FGMs är kända, såsom komponenter med materiella övertoningar eller graderad porositet, samt flerfärgade komponenter. Kvinnlig Könsstympning komponenter kan tillverkas genom enstaka konventionella forma teknik12,13,14,15,16,17 eller genom en kombination av dessa tekniker, exempelvis gjutning genom in-mould Labelling som en kombination av tape casting och injektion18,19.
För att kombinera fördelarna med AM med fördelarna med FGMs till keramik-baserade 4 D komponenter20 (tre dimensioner för geometri och en grad av frihet som rör den materiella rekvisitan på varje position), Admatec Europa har utvecklat en Stereolitografi-baserade 3D-utskriftsenhet inom det europeiska forskningsprojektet ”CerAMfacturing” för AM av multifunktionella eller multi-material komponenter.
Tekniken anpassas för kvinnlig Könsstympning komponenter är en Stereolitografi synsätt som sysselsätter en digital ljus processor (DLP) som ljuskälla som innehåller en digital micromirror device chip (DMD), används för att polymerisera en harts som kan blandas med olika pulver. DMD chip har en matris med flera hundra tusen mikroskopiska speglar, som motsvarar pixlar i bilden som ska visas. Speglarna kan roteras individuellt för att ställa in en avstängning på placering pixeln. Den vanligaste sysselsatta hartser är baserade på blandningar av akrylat eller uretan monomerer. I dessa blandningar hittade vi även andra tillsatser, såsom ljus-absorberande photoinitiator molekyler och färgämnen. Harts blandningen hälls vanligtvis i en behållare eller bad, även kallad moms. Polymerisation induceras genom en reaktion mellan en photoinitiator molekyl (PI), med de ljus fotoner som genereras av den DMD-chipet. Olika harts monomer strukturer kan resultera i olika polymerisation priser, krympning och slutliga struktur. Exempelvis påverkar användningen av monofunktionella monomerer vs. Polyfunktionella monomerer i tvärbindningen av det polymera nätverket.
En av de viktigaste parametrarna att beakta med keramiska SLA är ljus-scattering effekt produceras när ljuset (fotoner) korsar genom olika material. Det är mycket som påverkar; i det här fallet kombineras hartser med en mängd pulver att generera en suspension eller slurry. Slam, sedan, består av material som presenterar olika brytningsindex till ljuset. En stor skillnad mellan brytningsindex värdena av kådan och pulvret påverkar måttnoggrannhet lagren, polymerisation, och den totala ljusa dosen att utlösa polymerisation reaktionen. När ljuset kommer in fjädringen, gravering pulver partiklar (dvs, keramik, metall eller andra polymerer) ljusstrålen. Detta verkställer framkallar en förändring i den ursprungliga sökvägen till den (bestrålade) fotoner. Om fotonerna har en bana sneda exponering riktning, kan de generera en polymerisation reaktion på en plats som kan vara övergripande till den ursprungliga riktningen. Detta fenomen resulterar i överexponering när området i den härdade flytgödsel är större än det utsatta området. Likaså kommer det under-exponera, när det härdade flytgödsel lagret är mindre än det ursprungligen utsatta området.
Inom manuskript beskrivs forskningen för AM av aluminiumoxid komponenter att kombinera en tät och får struktur, realiserat by med den Admaflex tekniken. Som förklaras i det europeiska forskningsprojektet ”CerAMfacturing”, kräver produktionen av kvinnlig Könsstympning keramiska delar hög upplösning och bra ytegenskaper för att möta de krävande applikationerna. DLP stereolithographic teknik, som den som beskrivs här, gör det möjligt för forskare att erhålla sådan keramik-baserade, fullt fungerande komponenter.
För medicinska implantat måste råvaran vara av hög renhet, helst av 99,9% och högre. I detta projekt används ett icke-kommersiellt aluminiumoxid pulver med en smala partikelstorleksfördelning, en genomsnittliga partikel storlek < 0,5 µm och en specifik yta av ca 7 m2g. Alternativt, det är också möjligt att använda kommersiella material kompositioner.
För att uppnå de lämpligaste hantering villkor för dessa särskilt keramik-polymer-slam, Använd den ovannämnda trycktekniken. Denna teknik är utrustad med ett transportsystem för folie som bär slam från en reservoar till utskriftsområdet. Det utskrivna området består av en genomskinlig glasyta längst ner, under vilka det finns en ljuskälla som projekt skivad lagren. På toppen av det utskrivna området finns det en byggnad-plattform som kan flytta vertikalt upp och ner tack vare en z-bild. Produkten, sedan, hänger sig på ytan av metall tryckplåten som kan kopplas genom dammsugning ovanför utskriftsområdet. Oanvända slam samlas sedan av en torkare, reparerad, och pumpas tillbaka till ursprungliga behållaren, vilket skapar en sluten krets som tillåter forskare att återanvända slammet som inte var förbrukas för byggandet av 3D-modellen. Olika parametrar kan ändras för att anpassa processen till olika flytgödsel kompositioner och keramiska fyllmedel. Skrivaren måste placeras i ett rum med kontrollerade ljus, temperatur och fuktighet inställningar. Rummet måste vara utrustat med ett UV-filter för utanför ljuset; Dessutom är det rekommenderat att ha en temperatur på runt 20-24 ° C och en relativ fuktighet under 40%. Av FESEM imaging visar en uppenbar större genomsnittlig partikelstorlek av aluminiumoxid pulver efter deagglomeration, jämfört med de teoretiska 0,45 µm aluminiumoxid Materialanalyser av leverantören. Detta kan förklaras i termer av gytter. Under torkning, efter steget deagglomeration partiklarna åter fällningen klumpar, som kan ses i figur 1 d. Under suspension preparatet, kan åter agglomererad partiklarna vara spridda tack vare steget ytan funktionalisering. En mindre uppenbar partikelstorlek kan ses i FESEM avbildning av slammet i figur 3.
När det gäller de reologiska beteenden, bör en idealisk flytgödsel för keramiska SLA-teknik (t.ex., Admaflex teknik) ha en skjuvning gallring beteende (dvsminskande dynamisk viskositet högre skjuvning). För en optimal rösterna på stödjande folie eller användning inom en fördelarenheten, bör dynamisk viskositet hållas på ett idealiskt intervall och billigt låg skjuvning. Vid för hög dynamisk viskositet vid låga skjuvning priser, kan gjutning av en slurry lager av 200 µm hämmas av bristen på flöde att fylla tomrummet under bladet läkare. Om den dynamiska viskositeten det är för låg, kan suspensionen rinna av sig själv från reservoaren under bladet eller bort från stöd folien på grund av naturliga flöde (gravitation). För alla undersökta suspensioner minskar dynamiska viskositeten med en takt skjuvning. Den optimala upphängninguppförande flöde ges av sammansättning 1 (figur 2). Olika förändringar i flytgödsel sammansättning påverkar de reologiska beteenden av suspensionen. Optimalt flöde beteendet med en låg dynamisk viskositet i intervallet krävs uppnåddes genom suspension compound 1. En ökning av halten pulver eller en icke-optimala innehållet i den spridning agenten (sammansatta 2) och en ändring av förhållandet binder-crosslinker med en högre mängd multifunktionella crosslinker (sammansättning 3) ledde till en ökning av dynamisk viskositet, ofördelaktigt för processen. Om halten pulver är lägre, tillsammans med ett lägre innehåll av multifunktionella crosslinker och i kombination med en icke-optimala innehållet i den spridning agenten (komposition 4), reduceras dynamisk viskositet starkt, möjligen kan leda till en instabil suspension.
Förändringen i lagring modulus G´ av slam vid ljus bestrålning kan bidra till att lära dig mer om upphängningarna bota beteende. Detta kompletteras av experimentella tester på djupet av härdning vid utskriftsenheten själv. Bota beteende på olika torktider präglades en aluminiumoxid fjädringen med en optimal reologiska beteende. Före härdning startar, suspensionen visar en låg nivå av G´ och presenterar värdena under 100 Pa. När härdning börjar, kan en polymerisation av den fotoreaktiv organics utläsas av en ökning av G´ till en högre nivå. Med en ökande härdningstiden, slutta av G´ ökar i en rad högst 105 7 Pa som beror på sammansättningen. En härdningstiden 1 s ledde till en slutlig G´ under 106 Pa, vilket inte räcker för en minsta nödvändiga styrkan. Med en ökande härdningstiden levereras mer energi (fotoner) till fjädringen, vilket leder till en högre G´ till följd av en snabbare och högre grad av konvertering (högre lutning). Optimal härdningstiden för utvecklade aluminiumoxid suspensionen ska vara i en rad 2 till 3 s. Med en härdningstiden 4 s, den slutliga nivån av G´ och bota lutningen har stora värden, över 2 x 106 Pa. Konverteringen är nästan klar och nästan inget ohärdat polymerer finns. Ytterligare energiförsörjning kan resultera i overcuring slam och en överdriven härdning av polymeren, vilket resulterar i en spröd struktur som har en negativ effekt om kvarstad på produkten med byggnaden plattformen.
Komponenten singel-FGM test valt för detta manuskript är en hemi-käk implantatet struktur som innehåller en tät yttre skal och en poröst ben-liknande central kärna, som kan ses i figur 5. Denna modell kunde vara additivt tillverkade och sintrad felfri, som ses av FESEM bildtagning. Fina strukturer och väggtjocklekar (mindre än 0.1 mm) kan realiseras och ingen uppenbar deformering under sintring inträffade. Det konstaterades att mikrostrukturen i de enda aluminiumoxid komponenterna är typisk för keramisk bearbetning av aluminiumoxid vid given sintring temperaturer, med en homogen kornstorlek. Porositeten i områdena bulk är mycket låg ( 99%, jämfört med det teoretiska densitet, uppnåddes.
The authors have nothing to disclose.
Detta projekt har beviljats medel från EU: s Horizon 2020 forsknings- och innovationsprogrammet under Grant avtal nr 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 |