Fabricación aditiva de materiales cerámicos funcionalmente calificados por estereolitografía

La fabricación aditiva de componentes cerámicos con grado funcional mediante el uso de tecnologías de fabricación de cerámica de base libre de litografía puede ayudar a desarrollar estructuras innovadoras de implantes médicos optimizadas para funciones. La principal ventaja de esta técnica de fabricación aditiva es su alta resolución. La fabricación de componentes cerámicos mediante métodos basados en estereolitografía ofrece piezas de alta precisión y alta densidad.

Para este procedimiento, utilice polvos cerámicos de alta pureza con un tamaño de partícula de amina inferior a 0,5 micrómetros, una distribución de tamaño de partícula estrecha y una superficie específica de unos siete metros cuadrados por gramo. En un recipiente de molienda, combine el polvo y el etanol absoluto en una proporción de masa de 80 a 20. Agregue de una a dos bolas de molino de milímetro de diámetro en una masa igual al polvo.

A continuación, añadir alrededor de 0,5 a 2% en peso de agente dispersante, dependiendo de la cantidad de polvo. Mime la mezcla durante 2 horas a 250 RPM en un molino de bolas planetario. Después, retire las bolas de molino con un siv, con aberturas de 500 micrómetros.

Deje que la suspensión se seque a temperatura ambiente en una campana de humo durante 12 horas, y luego seque aún más a 110 grados centígrados, durante 24 horas. Moler el material seco a través de un siv con aberturas de malla de 100 a 500 micrómetros para obtener el polvo funcionalizado desaglomerado. A continuación, en la lata de un molino de bolas planetario de alta velocidad, mezcle un fotoiniciador activado a la longitud de onda utilizada en el dispositivo de impresión, enlaces cruzados orgánicos y aglutinantes, y un plastificante.

Añadir de cinco a 10 bolas de molino hechas del material cerámico con diámetros de cinco a 10 milímetros. Homogeneizar la mezcla durante cuatro minutos a 1000 RPM. A continuación, introducir el polvo en la mezcla y homogeneizarlo cuatro minutos a 1000 RPM, 45 segundos a 1500 RPM y 30 segundos a 2000 RPM.

Enfríe la lata con agua después. Si la mezcla parece inhomogénea, repita el proceso. A continuación, coloque aproximadamente 1 mililitro de la lodo de resina rellena de cerámica en la placa de un reómetro, configurado para una prueba de rotación.

Aumente la velocidad de cizallamiento de 0.1 a 1000 segundos recíprocos a una temperatura constante de 20 grados Celsius mientras mide el par. Confirme que la suspensión muestra un comportamiento de adelgazamiento de cizallamiento con una viscosidad dinámica inferior a 600 segundos pascal, para una velocidad de cizallamiento de 0,1 segundos recíprocos y por debajo de 10 segundos pascales para velocidades de cizallamiento de 10 a 300 segundos recíprocos. Por último, evalúe el comportamiento de curado tomando mediciones oscilantes antes, durante y después del curado por exposición a la luz UV.

Configure un dispositivo de impresión de estereolitografía de procesamiento de luz digital. Confirme que la profundidad de curado es al menos la misma que las capas de construcción elegidas, y preferiblemente varias veces más gruesa. A continuación, genere un archivo de modelo 3D del componente con software de diseño asistido por ordenador.

Corte el modelo de componente en capas del grosor adecuado y guarde el archivo en un formato de contorno de serolitografía. Transfiera este archivo al dispositivo de impresión por red o USB. Cree un programa de impresión y establezca el tiempo de curado por capa, la velocidad de fundición, la velocidad de la plataforma de construcción y otros parámetros.

A continuación, llene el depósito del dispositivo de impresión a mitad de camino con la suspensión de resina cerámica preparada. Bombee la suspensión a través del sistema hasta que comience a rellenar el depósito. Fije una placa de impresión de metal a la plataforma del edificio por aspiración al vacío e inicie el programa de impresión.

Rellene el depósito según sea necesario durante el proceso de impresión. Cuando haya terminado, apague el vacío mientras sostiene la placa de impresión para recuperar el componente. Use alcohol isopropílico, u otro disolvente orgánico suave, para limpiar cualquier lodo restante, y luego deje que el componente se seque a temperatura ambiente en un área ventilada.

Desencuadir y sinternar el componente después, para terminar la fabricación. Este polvo de alúmina de alta pureza fue desaglomerado y funcionalizado con desperante. Tras el secado, el polvo funcionalizado se reaglomeró, pero se volvió a dispersar uniformemente en resina polimérica.

Para composiciones de suspensión con diferentes contenidos de polvo, se evaluaron las relaciones de unedor cruzado di y tetra-funcional, y las relaciones generales de unedor cruzado de aglutinante. Las cuatro suspensiones tenían el comportamiento de adelgazamiento de cizallamiento deseado, pero sólo la composición una exhibió el comportamiento óptimo del flujo de suspensión. Si la viscosidad dinámica es demasiado alta, podría dificultar la fundición de capas de lodo delgadas, debido a la falta de flujo.

Una viscosidad dinámica demasiado baja podría dar lugar a que la suspensión fluya libremente debajo de la hoja de fundición, o en una suspensión inestable. Antes de exponer la suspensión de resina cerámica a la luz, el módulo de almacenamiento de cizallamiento se mantuvo aproximadamente constante. El tiempo de curado óptimo para lograr la resistencia mínima necesaria sin sobrecurar fue de dos a tres segundos.

La exposición durante más de cuatro segundos podría provocar una fragilidad por el curado excesivo. Utilizando la composición óptima de los purines de aluminio y los tiempos de exposición, este componente de prueba, con una cáscara exterior densa, y un núcleo central similar al hueso poroso, fue fabricado libre de defectos, con una porosidad extremadamente baja y alta densidad en las áreas a granel. La técnica presentada en este artículo está diseñada para manejar mezclas de resina cerámica viscosa con el fin de alcanzar la alta precisión necesaria en la fabricación de materiales clasificados funcionalmente.

La presente técnica allana el camino para los resultados en la fabricación de cerámica para desarrollar suspensiones cerámicas foto reactivas. Se pueden utilizar en la fabricación de aditivos cerámicos de base libre Lyrica para producir componentes cerámicos de alta calidad.