多材料陶瓷基元器件--用热塑性3d 印刷 (ceram-t3dp) 制备黑白氧化锆部件的添加剂
January 7th, 2019
在这里, 我们描述了一个协议, 用于额外制造黑色和白色氧化锆成分的热塑性3d 打印 (ceram-t3dp) 和共烧结缺陷无缺陷。
这种方法有助于为陶瓷组件打开大门，实现多种应用，如陶瓷反应器、手术工具或定制奢侈品。这种技术的主要优点是某些材料的位置有选择地发生。而某些材料的认证与某些材料属性是独立的。
当我们考虑在多材料方法的增材制造领域的知识的适应时，我们首先想到了这种方法。要进行热塑性悬浮液，请先选择粉末。黑白物体的增材制造需要两种粉末。
在这种情况下，选择是氧化锌黑-1和氧化锌白色-1。具有可比较的中心温度。获取两种粉末的场发射扫描电子显微镜图像，以描述一些有关粒子形状和表面积的特征。
在这里，氧化锌白色颗粒的平均颗粒直径约为千分之一米的4/10。使用激光衍射仪测量，氧化锌黑色颗粒的平均直径为1/2微米。继续准备在可加热的溶解器中的悬架。
通过熔化石蜡和蜂蜡的混合物，在100摄氏度下用溶解剂单独准备每个悬浮液。在继续检查容器以确保熔化完成之前。熔化完成后，聚合物混合物均质化。
接下来，降低解析器光盘的速度。然后，在几个步骤，慢慢添加一个氧化锌粉，所以它成为40%的混合物体积。熔化石蜡、蜂蜡等化学成分后，使聚合物混合物均质化。
接下来降低溶解盘的速度。然后，在几个步骤，慢慢添加一个氧化锌粉，所以它成为40%的混合物体积。当粉末含量按体积计为 40% 时停止。
黑色和白色悬架的目标值。然后，在100摄氏度下搅拌粉末聚合物混合物两小时。搅拌后，确保混合物在之前均质化。
当他们创建时，使用流变仪对每个熔融悬浮液进行特征化。绘制动态粘度作为不同温度的剪切速率的函数。这些数据用于两种不同温度的氧化锌黑-1和氧化锌白-1。
对于给定的悬架和温度，请确保动态粘度低于 100 pascal 秒，剪切速率为 10 秒。剪切速率为 100 秒，低于 20 帕斯卡秒。和低于一个帕斯卡秒的剪切速率为5000/秒。
如有必要，通过增加温度或添加聚合物混合物来改变动态粘度。开始使用热塑性 3D 打印设备。此图描述了三个微型点胶系统。
可以同时或单独工作。还描述了用于帮助描述打印头输出的配置文件扫描仪。这是热塑性 3D 打印头，因为它出现在打印系统中。
选择要使用的两个分配器。对于黑白增材制造，将黑色悬浮液添加到一个分配器中，将白色悬浮液添加到另一个分配器中。准备就绪后，通过改变单液滴和液滴链的沉积频率、轴速度和其他参数进行实验。
使用配置文件扫描仪，该扫描仪使用蓝色激光来收集数据来描述输出。确定点胶参数，使两种材料的液滴具有相同的特性。调整单个液滴之间的距离，避免不同材料的高度差异。
以下是使用不同参数以及黑白悬浮液产生的单个液滴和液滴链的示例。查看形状、体积和均匀性的一系列参数的输出。确定打印参数后，确定所需的零件。
使用零件生成的 3D 模型，然后以加法制造格式保存模型文件。在切片器软件中，通过分配相应的微点胶系统将两种材料分配给不同的组件区域。生成 G 代码并将其上载到打印机。
确保设置参数并启动作业。以8毫米/秒的速度打印这件作品需要大约一个小时。生成过程完成后恢复示例。
此时，示例已准备好去绑定。拿样品准备去绑定。将样品放在粗糙的屏幕中，放在氧化铝粉床中，以进行支撑和温度分布。
接下来，将带样品的粉床放入空气大气炉中。并设置加热和冷却程序，以确保无缺陷粘合。在室温下取回样品。
继续执行接下来的步骤。从床上用品粉末中取出样品。然后，小心地用细刷取出任何床上用品粉。
对于第二次脱绑定，将样品放在氧化铝窑家具上。回到空气大气烤箱，使用更快速的加热速率和相同的冷却速率的样品。冷却后，将样品进行到空气大气中心炉。
将样品中心在1，350摄氏度，两个小时。这是脱模和居中步骤末尾的制造件，以及其 3D 模型。使用 3D 扫描仪描述组件收缩，每个方向应约为 20%。
对切割和抛光打印样品执行进一步表征。此场发射扫描电子显微镜图像位于中心氧化锌白-1 和氧化锌黑-1 之间的平面界面的横截面。通过能量分散X射线光谱分析获得更多信息。
在搜索与氧化铝相关的峰值时，结果表明氧化锌黑-1中发生更多的氧化铝交叉。这些测量点位于氧化锌黑色区域内。它们的组成通过能量分散X射线光谱显示出来。
从这个更详细的分析光谱，显示氧化锌黑色微观结构有氧化铝沉淀。一旦掌握了，这项技术可以改变设计和使用陶瓷组件的方式。在使用这项技术时，您必须记住，这只是一种成型技术。
绿色体必须去绑定和居中才能达到最终的陶瓷特性。看完这段视频后，你应该对如何结合陶瓷材料进行增材制造有了很好的了解。
概述
本文介绍了一种使用热塑性3D打印（CerAM - T3DP）和共烧结技术进行黑白锆白色添加制造的协议。该方法旨在促进各种应用的陶瓷部件的生产，包括手术工具和定制产品。
关键研究组成部分
科学领域
- 添加制造
- 陶瓷
- 3D打印技术
背景
- 该方法利用两种类型的锆白粉：黑色和白色。
- 粉末的表征对于确保制造过程的兼容性至关重要。
- 悬浮液的动态粘度对于成功打印至关重要。
- 脱除和烧结过程是必要的，以实现无缺陷的组件。
研究目的
- 开发制造锆白色部件的可靠协议。
- 探索这些陶瓷部件的潜在应用。
- 优化打印参数以实现所需的材料特性。
使用的方法
- 制备具有特定粉末比例的热塑性悬浮液。
- 使用具有多个分配器的热塑性3D打印设备。
- 使用型谱扫描仪对输出进行表征。
- 脱除和烧结过程以完成组件。
主要结果
- 成功打印黑白锆白色部件。
- 打印样品的表征显示适当的收缩和粘合。
- 动态粘度测量在可接受的打印范围内。
- 能量色散X射线光谱揭示了材料组成的洞察。
结论
- 开发的协议能够有效地制造锆白色部件。
- 在各个领域的潜在应用突出了该方法的多功能性。
- 进一步的研究可以扩展材料性能和应用的优化。
常见问题
Executive Industry Relevance
Thermoplastic 3D-Printing (CerAM - T3DP) enables precise additive manufacturing of multi-material ceramic components, supporting advanced material placement and functional grading. This capability is strategically relevant for biopharma R&D where custom ceramic parts are required for device prototyping, analytical instrumentation, or specialized reactor components. The method's control over material properties at each position enhances predictive confidence and supports risk-managed innovation in early-stage technology development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rapid prototyping of custom ceramic components for experimental setups.
- Supports functional validation of device materials under relevant laboratory conditions.
- Facilitates mechanistic de-risking by allowing precise material property control.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible ceramic substrates for assay platforms.
- Allows integration of multi-material features to support complex screening workflows.
- Enables scalable production of test components for high-throughput environments.
Translational & Preclinical Research
- Supports development of disease-relevant device components for translational studies.
- Ensures continuity from prototype to preclinical validation through material consistency.
- Reduces risk of late-stage device failure by enabling early material performance assessment.
Pipeline & Workflow Integration
This additive manufacturing method fits from early discovery prototyping through to preclinical device development, supporting iterative design and functional testing.
- Discovery Biology: Accelerates hypothesis testing by enabling rapid fabrication of custom ceramic parts.
- Screening: Delivers reproducible, multi-material substrates for robust assay development.
- Analytics: Provides quantitative readouts on material performance and component shrinkage.
- Translational Research: Maintains material fidelity for preclinical device evaluation.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable platform for diverse ceramic component needs across R&D teams.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in device and material performance.
- Operational Value: Standardizes component fabrication and supports reproducibility.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions for device and instrumentation projects.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of technology development initiatives.
Implementation Considerations
- Requires expertise in ceramic material formulation and additive manufacturing.
- Needs access to thermoplastic 3D printing systems and rheological characterization tools.
- Demands cross-team standardization of dispensing and sintering parameters.
- Must adapt process parameters for different ceramic powder types and geometries.
- Final ceramic properties depend on post-printing debinding and sintering steps.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:49
The Thermoplastic Suspension for Thermoplastic 3D-printing
3:31
Manufacture of Single and Multi-material Components
5:33
Co-debinding and Co-sintering of Multi-material Components
6:53
Results: Characterization of Multimaterial Zirconia Components
7:47
Conclusion
