本手稿描述了通过立体光刻增材制造的单个多功能陶瓷部件(例如,致密-多孔结构的组合)的加工过程。
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本手稿描述了通过立体光刻增材制造的单个多功能陶瓷部件(例如,致密-多孔结构的组合)的加工过程。
采用增材制造技术来制备具有功能梯度的陶瓷部件。该技术基于数字光处理/立体光刻工艺,是在欧洲研究项目CerAMfacturing框架内开发的。使用定制的氧化铝聚合物混合物三维打印出一种三维(3-D)半上颌骨类似结构。为确保打印过程中材料的可加工性,对粉末及混合物的流变行为进行了全面分析。本文阐述了利用Admaflex技术打印功能梯度材料的可能性。场发射扫描电子显微镜(FESEM)结果显示,烧结后的氧化铝陶瓷部件孔隙率低于1%,且分析后未发现原始层状结构的残留。
高复杂度的技术陶瓷在几乎所有应用领域(包括众多工业领域)的需求日益增长。由于产品可针对每位患者进行个性化定制,因此在人类医疗保健领域中的应用也越来越多。在过去十年中,增材制造技术显著拓展了个性化医疗治疗的选择。
增材制造(AM)是一种加工技术,可通过逐层添加材料的方式,将计算机生成的三维模型转化为实体产品。通常,一系列二维层堆叠形成三维形状,从而实现迄今为止无与伦比的设计自由度,用于制造复杂结构部件。该技术被认为是聚合物和金属材料的先进成形技术。目前已有首批用于陶瓷加工的工业级技术问世1,2,全球各地实验室几乎应用了所有已知的增材制造技术来制备单材料陶瓷3,4,5。增材制造技术,特别是立体光刻技术(stereolithography),始于20世纪80年代,由Hull开发6。不同的制造方法和材料会导致产品在尺寸、表面粗糙度或力学性能等方面的性能差异。所有增材制造技术可分为两类:直接增材制造技术5,其基于材料的选择性沉积(例如,材料喷射工艺,如直接墨水书写打印(Direct Inkjet Printing)或热塑性三维打印(T3DP))7,8,9,10;以及间接增材制造技术,其基于对整层铺设材料进行选择性固化(例如,陶瓷立体光刻技术(SLA))。
新型应用的复杂性和紧迫性要求提升陶瓷增材制造加工技术。例如,某些特殊的创新性工业或医疗应用需要在同一组件中集成多种不同性能,从而催生了功能梯度材料(Functionally Graded Materials, FGMs)。这类材料在微观结构或材料组成上具有多种性能的过渡特征11,这些过渡可以是离散的或连续的。目前已知多种类型的FGM,如具有材料梯度或梯度孔隙率的组件,以及多色组件。FGM组件可通过单一的传统成型技术12,13,14,15,16,17,或通过多种技术的组合来制造,例如将膜内贴标技术结合流延成型与注塑成型来实现18,19。
为了将增材制造(AM)的优势与功能梯度材料(FGMs)相结合,应用于陶瓷基4D构件20(三维几何结构,以及每个位置材料性能的一个自由度),Admatec Europe 在欧洲研究项目“CerAMfacturing”"CerAMfacturing"中,开发了一种基于立体光刻技术的3D打印设备,用于增材制造多功能或多材料构件。
用于FGM构件的技术是一种基于立体光刻的方法,采用数字光处理器(DLP)作为光源,其中包含数字微镜器件芯片(DMD),用于引发可与不同粉末混合的树脂的聚合反应。DMD芯片上排列有数十万个微型镜面,每个镜面对应待显示图像中的一个像素。这些镜面可单独旋转,以设定像素的开启或关闭状态。最常用的树脂基于丙烯酸酯和/或氨基甲酸酯单体的混合物。在这些混合物中,还可含有其他添加剂,如吸光性光引发剂分子和染料。树脂混合物通常被倒入一个容器或槽中,该容器也称为料槽(vat)。聚合反应由光引发剂分子(PI)与DMD芯片产生的光子发生反应而引发。不同的树脂单体结构可能导致不同的聚合速率、收缩程度以及最终结构。例如,使用单官能团单体 与 多功能单体对聚合物网络的交联具有影响。
在陶瓷光固化成型(SLA)中,一个最重要的考虑参数是光(光子)穿过不同材料时产生的光散射效应。这一效应影响显著:在此情况下,树脂中会掺入一定量的粉末以形成悬浮液或浆料。该浆料由对光具有不同折射率的材料组成。树脂与粉末之间的折射率差异越大,越会影响成形层的尺寸精度、聚合速率以及引发聚合反应所需的总光剂量。当光进入悬浮液时,粉末颗粒(即陶瓷、金属或其他聚合物)会使光路发生衍射,从而改变(被照射)光子的原始传播路径。如果光子的传播方向相对于曝光方向呈倾斜,可能在与原始方向横向偏移的位置引发聚合反应。这种现象会导致曝光过度,即固化浆料区域大于曝光区域;同样地,若固化后的浆料层小于原始曝光区域,则会出现曝光不足。
在文稿中,描述了利用Admaflex技术实现氧化铝部件增材制造的研究,该部件结合了致密结构与大孔结构。如文中所述 "CerAMfacturing" 欧洲研究项目中,FGM陶瓷部件的制造需要高分辨率和良好的表面性能,以满足严苛的应用需求。DLP立体光刻技术(如本文所述)可使研究人员获得此类基于陶瓷的全功能部件。
1. 光固化陶瓷悬浮液的研制
2. 通过陶瓷SLA制造单梯度和FGM部件
3. 单一梯度和功能梯度材料组分的共脱脂与共烧结
4. 单梯度与功能梯度组分的表征
为了通过宏观尺度上致密部分与多孔部分的结合来制备单材料构件以及最终的功能梯度结构,仅使用了以氧化铝为基础的悬浮液。
分散后所用氧化铝粉末的平均粒径(D50)测量结果为0.47 µm,该结果与供应商提供的实际粒径范围0.45至0.5 µm相符。图1A显示了氧化铝粉末在制备前的场发射扫描电子显微镜(FESEM)分析结果,图1B则详细展示了造粒体表面的FESEM图像。图1C和图1D分别为解团聚后处于干燥状态的氧化铝粉末的对应图像。未经处理的粉末并非以单个原始颗粒形式存在,而是以大球形造粒体(直径可达100 µm)的形式存在,这是干压成型原料的典型状态。造粒体表面的FESEM图像显示了未处理(图1B)和解团聚后(图1D)氧化铝的原始颗粒,其实际粒径约为0.45 µm。
图2显示了基于氧化铝粉末的所开发悬浮液的动态黏度随剪切速率的变化情况(对数表示),并反映了不同组分下粉末含量、黏结剂-交联剂比例以及分散剂含量的影响。所有悬浮液组分均表现出剪切稀化行为,但动态黏度水平有所不同。
悬浮液的均匀性如图3所示,该图是陶瓷-聚合物树脂薄片的场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像。陶瓷的初级颗粒清晰可见,而聚合物树脂在一定程度上未被电子探测器检测到。
通过测量储能模量 G´ 随时间的变化以表征材料随时间变化的固化行为,结果如图4所示。打印设备的可调参数有助于评估打印过程中的固化时间。通常情况下,该悬浮液在恒定形变下,其 G´ 值保持在 1,000 Pa 以下的稳定水平。在悬浮液曝光过程中(从 60 秒后开始),随着曝光时间(在 1 至 20 秒范围内变化)的延长,G´ 值逐渐升高,最终达到高于 105 Pa 的水平。图中各曲线代表悬浮液在不同曝光时间下的变化,以展示其对固化后聚合物-陶瓷复合材料强度的影响。
采用Admaflex技术的陶瓷SLA打印设备,得益于其输送系统,能够处理高黏度陶瓷浆料。通过逐像素控制,可针对网络中每个区域的照射光进行调控,从而实现梯度功能材料(FGM)部件的设计。该逐像素控制功能还可补偿曝光不足和过度曝光效应。此外,配套的专用软件套件可识别不同区域(多孔和致密区域),以补偿各曝光区域的光行为差异。该专有技术可为这些区域提供适配的光固化策略。
通过使用具有如组分1所示动态黏度行为的悬浮液(图2),在经验确定设备参数后,制备出具有三维结构的单组分功能梯度材料。图5A展示了一个复杂的三维模型,图5B展示了基于氧化铝悬浮液经增材制造并在研究项目内烧结而成的测试结构。
图6展示了单材料FGM构件致密部分显微结构的场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像;孔隙处于宏观尺度范围。

图1:场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像。 前两幅图显示了(A)原始氧化铝粉末和(B)表面细节的场发射扫描电子显微镜图像。接下来的两幅图显示了(C)去团聚后粉末颗粒和(D)表面细节的场发射扫描电子显微镜图像。 请点击此处查看此图的放大版本。

图2:不同配方制备的悬浮液的动态黏度随剪切速率的变化关系。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:陶瓷-树脂悬浮液的场发射扫描电子显微镜图像。 该图显示了聚合物树脂上粉末悬浮液的均匀性。

图 4:不同组成的多种悬浮液的储能模量 G´ 随时间的变化关系。

图 5:三维建模与打印。(A)该图显示单材料功能梯度陶瓷组件的三维模型。(B)该图显示打印过程烧结后的结果。

图6:烧结氧化铝结构的场发射扫描电子显微镜图像。 (A) 本图显示整体形貌。(B) 本图显示高倍放大图像。请点击此处查看该图的高清大图。
对于医用植入物,原材料必须具有高纯度,理想情况下应达到99.9%或更高。本项目使用一种非商业化的氧化铝粉末,其粒径分布较窄,平均粒径<0.5 µm,比表面积约为7 m2/g。此外,也可使用商业化的材料配方。
为了实现对这些特定陶瓷-聚合物浆料的最佳处理条件,请使用上述打印技术。该技术配备有输送箔系统,可将浆料从储液槽输送至打印区域。打印区域底部由一块透明玻璃表面构成,其下方设有光源,用于投射切片层。在打印区域顶部,有一个可通过Z轴滑轨垂直上下移动的构建平台。产品随后悬挂在金属打印板的表面,该打印板可通过真空吸附固定在打印区域上方。未使用的浆料随后被刮刀收集,经过再处理后泵送回原始储液槽,从而形成一个闭环系统,使研究人员能够重复利用未用于三维模型构建的浆料。可通过调整不同的软件参数,以适应不同成分的浆料和陶瓷填料。打印机必须放置在光照、温度和湿度受控的房间内。房间必须配备过滤外部光线的紫外滤光装置;此外,建议环境温度保持在约20–24 °C,相对湿度低于40%。场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像显示,与供应商提供的理论值为0.45 µm的氧化铝材料分析结果相比,解团聚后的氧化铝粉末表现出明显的较大平均粒径。这可以通过团聚现象来解释。在解团聚步骤后的干燥过程中,颗粒重新发生团聚,如图1D所示。在悬浮液制备过程中,由于表面功能化步骤的作用,这些重新团聚的颗粒得以再次分散。在图3的浆料FESEM图像中可观察到更小的表观粒径。
关于流变行为,适用于陶瓷SLA技术的理想浆料(例如,Admaflex 技术)应具有剪切变稀行为(即,即在较高剪切速率下动态黏度降低)。为了在支撑箔上获得最佳涂布效果或在分配单元中顺利使用,应在低剪切速率下将动态黏度维持在理想范围内。若低剪切速率下的动态黏度过高,则浆料在刮刀下方难以流动以填充间隙,可能导致无法成功涂布200 µm厚的浆料层。若动态黏度过低,悬浮液可能因自然流动(重力作用)而从刮刀下方的储液区自行流出,或从支撑箔上流失。所有被研究的悬浮液均表现出动态黏度随剪切速率增加而降低的特性。其中,组分1的悬浮液流变行为最为理想(图2)。浆料成分的不同变化会影响悬浮液的流变行为。通过悬浮液配方1,在所需范围内实现了动态黏度较低的最佳流动行为。当粉体含量增加,或分散剂含量非最佳(配方2),或通过增加多官能交联剂用量改变黏结剂-交联剂比例(配方3)时,动态黏度升高,不利于工艺进行。若粉体含量较低,同时多官能交联剂含量较低,并结合非最佳的分散剂含量(配方4),则动态黏度显著降低,可能导致悬浮液不稳定。
浆料在光照下储能模量 G´ 的变化有助于深入了解悬浮液的固化行为。此外,还可通过在打印设备上直接进行实验测试来评估固化深度。针对具有最佳流变性能的氧化铝悬浮液,表征了不同固化时间下的固化行为。在固化开始前,悬浮液的 G´ 值较低,通常低于 100 Pa。当固化开始时,光敏有机物发生聚合,表现为 G´ 值显著上升。随着固化时间的延长,G´ 的斜率逐渐增大,在 105 至 107 Pa 范围内达到最大值,具体数值取决于材料组成。当固化时间为 1 秒时,最终 G´ 值低于 106 Pa,不足以达到所需的最低强度要求。随着固化时间增加,更多的能量(光子)被传递至悬浮液中,导致转化速率加快、转化程度更高(斜率更大),从而获得更高的 G´ 值。对于所开发的氧化铝悬浮液,最佳固化时间应在 2 至 3 秒之间。当固化时间为 4 秒时,G´ 的最终值和固化斜率均较大,超过 2 × 106 Pa,此时转化几乎完全,未固化聚合物极少。继续提供能量可能导致浆料过度固化,聚合物过度硬化,形成脆性结构,从而对制品与构建平台之间的粘附产生不利影响。
本研究选择的单材料梯度结构测试组件为半上颌种植体结构,其具有致密的外壳和类似骨组织的多孔中心核心,如图5所示。该模型可通过增材制造并实现无缺陷烧结,这一点已通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像得到证实。可实现精细结构和小于0.1 mm的壁厚,且在烧结过程中未出现明显变形。研究发现,单相氧化铝部件的显微结构在给定烧结温度下具有典型的氧化铝陶瓷加工特征,晶粒尺寸均匀。整体区域的孔隙率极低(< 1%),与理论密度相比,达到的密度超过> 99%。
作者无任何利益冲突需要披露。
该项目获得了欧盟“地平线2020”研究与创新计划资助,资助协议号为678503。
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