כתב יד זה מתאר את העיבוד של אחד הרכיבים קרמיקה רב תכליתיים (למשל, שילובים של מבנים צפופים נקבובי) additively מתוצרת stereolithography.
טכנולוגיית הייצור מוספים מוחל להשיג חלקי קרמיקה מדורגת באופן פונקציונלי. טכנולוגיה זו, המבוססת על עיבוד אור דיגיטלי/stereolithography, מפותחת בתוך הטווח של הפרויקט והמחקר האירופי CerAMfacturing. מבנה דמוי עצם המי-נשימה עמוקה תלת-ממדיים (3-D) הוא תלת-ממדי מודפס באמצעות תערובות פולימריים מותאם אישית אלומיניום אוקסיד. אבקות ותערובות מנותחים לחלוטין מבחינת התנהגות rheological על מנת להבטיח חומר מתאים טיפול במהלך תהליך ההדפסה. האפשרות להדפיס באופן פונקציונלי מדורגות חומרים באמצעות Admaflex את הטכנולוגיה מוסבר במסמך זה. מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה שדה פליטה (FESEM) מראים כי החלק קרמיקה sintered אלומיניום אוקסיד יש נקבוביות נמוכה מ- 1% ללא שארית של מבנה שכבות המקורי נמצא לאחר ניתוח.
קרמיקה טכנית גבוהה-מתחם יש יותר ויותר ביקוש כמעט בכל תחום של יישום, כולל אזורי תעשייה רבים. בתחום של בריאות האדם מוצא יותר ויותר יישומים בשל הקלות של האינדיבידואליזציה של המוצרים עבור כל מטופל. בעשור האחרון, הייצור מוספים יש שיפור האפשרויות של הפרט טיפולים רפואיים.
תוסף ייצור (AM) היא טכנולוגיית עיבוד המאפשר את התרגום של דגם תלת-ממדי שנוצר על-ידי המחשב במוצר פיזי על-ידי תוספת ברצף של חומר. באופן כללי, סדרה של 2-D שכבות יוצרים ערימה שתוצאתו צורה תלת-ממדית, המאפשר הייצור של רכיבים, עד כה, חסרת תקדים חופש עיצוב. מצב זה נחשב להיות המדינה-of-the-art טכנולוגיה גיבוש עבור פולימרים ומתכות. הטכנולוגיות התעשייתי הראשון לעיבוד קרמיקה הן זמינות1,2, כמעט כל טכנולוגיות AM ידוע משמשים AM קרמיקה מחומר יחיד במעבדות בכל העולם3,4, 5. בבוקר, במיוחד stereolithography, החל בשנות ה-80, פותחה על ידי גוף6. גישות שונות ייצור וחומרים להוביל מגוון של מאפייני המוצר, כגון גודל, חספוס או תכונות מכניות. כל טכניקות הייצור מוספים ניתן לסווג לשתי קבוצות: ישיר כתוסף בייצור טכנולוגיות5, אשר מבוססים על התצהיר סלקטיבי של החומר (למשל, חומר לטוס תהליכים כמו הזרקת דיו ישיר הדפסה או תרמופלסטי הדפסה תלת-ממדית [T3DP])7,–8,–9,–10, ובטכנולוגיות הייצור מוספים עקיף, אשר מבוססים על איחוד החומר סלקטיבי אשר הופקד על כל השכבה (למשל, קרמיקה stereolithography [SLA]).
המורכבות ואת המוכנות של היישומים החדשים דורשים שיפור של טכנולוגיות עיבוד קרמיקה AM. לדוגמה, יישומים תעשייתיים או רפואי חדשני מיוחד חייב לכלול מאפיינים שונים בתוך הרכיב אותו, מה שמוביל באופן פונקציונלי מדורגות חומרים (FGMs). חומרים אלו כוללים מגוון רחב של תכונות הנוגעות מעברים של מיקרו או גשמי11. המעברים הללו ניתן בדיד או רציף. סוגים שונים של FGMs הם מרכיבים ידועים, כגון רכיבי עם מעברי צבע גשמי או נקבוביות מדורגת, כמו גם צבעוני. ניתן לייצר רכיבים FGM יחיד קונבנציונאלי גיבוש טכנולוגיות12,13,14,15,16,17 או על ידי שילוב של טכנולוגיות אלה, לדוגמה, על-ידי תיוג בעובש כשילוב של הקלטת הליהוק, הזרקת שהמודעות18,19.
כדי לשלב את היתרונות של AM עם היתרונות של FGMs לקרמיקה ברכיבים מבוססי-4-D20 (שלוש מידות עבור הגיאומטריה ואת מידת החופש בנוגע את תכונות החומר במיקום כל אחד), פיתחה Admatec אירופה stereolithography התקן מבוסס-תלת-ממדי הדפסה בתוך פרוייקט מחקר אירופי “CerAMfacturing” עבור אני של רכיבים תפקודי או חומר רב.
הטכנולוגיה הותאם עבור רכיבי FGM היא גישה מבוססת stereolithography מעסיקה מעבד אור דיגיטלי (DLP) כמקור אור המכילים שבב מכשיר מיקרו-מראות דיגיטלי (DMD), נהגו פולימריזציה שרף אשר ניתן לערבב עם אבקות שונות. השבב DMD יש מערך של כמה מאות אלפי מראות מיקרוסקופיות הקבועות, אשר תואמות את הפיקסלים בתמונה שיוצג. המראות ניתן לסובב בנפרד כדי לקבוע עמדה ב- off של הפיקסל. שרפים הנפוצות ביותר מבוססים על תערובות של מונומרים אקרילט ו/או אראטאן. ב תערובות אלה, מצאנו גם תוספים אחרים, כגון אור קליטת מולקולות photoinitiator, צבע. התערובת שרף בדרך כלל ויוצקים לתוך מכולה או אמבט, הנקרא גם מע מ. הפילמור הנגרמת על ידי התגובה של מולקולה photoinitiator (PI), עם חלקיקי אור האור שנוצר על ידי השבב DMD. מבנים מונומר שרף שונים עלולים לגרום המחירים שונים פלמור, הצטמקות ומבנה הסופי. לדוגמה, השימוש של מונומרים monofunctional לעומת polyfunctional מונומרים יש השפעה ב cross-linking של הרשת פולימריים.
אחד הפרמטרים החשובים ביותר לקחת בחשבון עם SLA קרמיקה הוא אפקט אור-פיזור המיוצר כאשר אור (פוטונים) שחוצה דרך חומרים שונים. זה הוא מאוד להשפיע; במקרה זה, שרפים משולבים עם כמות של אבקת לייצר של השעיה או slurry. Slurry זה, ואז, מורכב חומרים שמציגים השבירה השונים אל האור. הבדל גדול בין הערכים מקדם שבירה של השרף את האבקה משפיעה על הדיוק תלת-ממדי של השכבות, המחירים פלמור, והמנה הכולל אור כדי לעורר את התגובה הפילמור. כאשר אור נכנסת ההשעיה, חלקיקי אבקת (קרי, קרמיקה, מתכת או פולימרים אחרים) מכמותה את נתיב האור. אפקט זה גורם שינוי הנתיב המקורי פוטונים (לקרינה). אם חלקיקי האור יש מסלול אלכסונית לכיוון חשיפה, הם עשויים ליצור תגובת הפילמור במיקום זה יכול להיות ואלכסוני לכיוון המקורי. תופעה זו גורמת חשיפת יתר כאשר האזור של slurry נרפא גדול יותר באזור החשוף. באופן דומה, שכן תת חשיפה, כאשר הרובד slurry נרפא קטנים יותר באזור החשוף במקור.
בתוך כתב היד, במחקר לא של רכיבים אלומינה שילוב של צפיפות גבוהה ומבנה macroporous, הבנתי באמצעות הטכנולוגיה Admaflex, מתוארת. כפי שהוסבר בפרויקט מחקר אירופי “CerAMfacturing”, הייצור של חלקים קרמיקה FGM דורש רזולוציה גבוהה ואת מאפייני משטח טוב לפגוש את היישומים התובעניים. DLP stereolithographic טכנולוגיות, כגון המתואר כאן, מאפשר לחוקרים להשיג לרכיבים אלה מבוסס על קרמיקה, מתפקדת במלואה.
של שתלים רפואיים, חומר הגלם חייב להיות טהור, אידיאלי של 99.9% ומעלה. בפרויקט זה, נעשה שימוש מסחרי אלומינה לאבקה עם התפלגות גודל החלקיקים הצר של החלקיקים הממוצע גודל < 0.5 מיקרומטר, משטח ספציפי של שבעה מ'2/g. לחלופין, זה גם אפשרי לשימוש מסחרי יצירות גשמי.
על מנת להשיג את התנאים לטיפול המתאים ביותר עבור אלה slurries קרמיקה-פולימר מסוים, להשתמש בטכנולוגיית הדפוס הנ. טכנולוגיה זו הינו מצויד עם מערכת תחבורה רדיד שנושאת את slurry מתוך מאגר לאזור ההדפסה. לאזור ההדפסה מורכב משטח זכוכית שקופה בתחתית, תחת אשר יש מקור אור הפרויקטים את הרבדים הפרוס. בחלק העליון של אזור ההדפסה, יש פלטפורמה בניין שיכול להזיז אנכית למעלה ולמטה הודות שקופית ציר z. המוצר, ואז נתקע על פני מלוחית ההדפסה מתכת שניתן לצרף ביניקה ואקום, מעל לאזור ההדפסה. Slurry שאינם בשימוש ואז נאסף על ידי מגב, חזרה reconditioned, שאוב המאגר המקורי, ובכך ליצור במעגל סגור אשר מאפשר לחוקרים שימוש חוזר של slurry זה לא נצרך לבנייה של הדגם התלת-ממדי. ניתן לשנות פרמטרים של תוכנות שונות על מנת להתאים לתהליך יצירות slurry שונים, חומרי מילוי קרמי. למדפסת יש להציב בחדר עם אור מבוקרת טמפרטורה, לחות הגדרות. החדר חייב להיות מצויד פילטר UV ללא האור החיצוני; בנוסף, מומלץ לאכול לטמפרטורה של-20-24 ° C ולחות יחסית מתחת 40%. ההדמיה FESEM מראה גודל החלקיקים הממוצע גדול יותר ניכר של אלומינה לאחר deagglomeration, בהשוואה ל- 0.45 תיאורטי-מיקרומטר אלומינה גשמי הבדיקות על ידי הספק. זו יכולה להיות מוסברת במונחים של הצטברות. במהלך ייבוש, לאחר השלב deagglomeration, החלקיקים מחדש אגלומרט, כפי שניתן לראות באיור 1D. במהלך הכנת ההשעיה, החלקיקים מגובבים מחדש יכולים להיות מפוזרים בזכות הצעד functionalization פני השטח. גודל החלקיקים לכאורה קטן יותר ניתן לראות את FESEM הדמיה של slurry באיור3.
בנוגע להתנהגות rheological, slurry אידיאלי עבור טכנולוגיית SLA קרמיקה (למשל, Admaflex טכנולוגיה) צריך להיות של הטיה דליל התנהגות (קרי, צמיגות דינאמית יורדת בקצב הטיה גבוהה יותר). יצוק אופטימלית התומכים בנייר כסף או לשימוש בתוך יחידת שחולק, יש לשמור את צמיגות דינאמית-לטווח אידיאלי במחירים נמוכים הטיה. במקרה של צמיגות דינאמית גבוהה מדי במחירים נמוכים הטיה, הליהוק של שכבת slurry מיקרומטר 200 עשוי להיות הכבידו על ידי חוסר זרימה כדי למלא את הפער תחת הלהב הרופא. אם צמיגות דינאמית זה נמוך מדי, ההשעיה עשוי לזרום בעצמה מן המאגר מתחת הלהב או הרחק את רדיד האלומיניום תמיכה בשל הזרימה הטבעית (כוח המשיכה). עבור כל המתלים ובדוקים, מקטין צמיגות דינאמית עם שיעור גדל והולך של הטיה. ההתנהגות זרימה אופטימלית ההשעיה ניתנת על ידי הרכב 1 (איור 2). שינויים שונים בהרכב slurry משפיעים על ההתנהגות rheological של ההשעיה. ההתנהגות זרימה אופטימלית עם צמיגות דינאמית נמוכה בטווח הנדרש הושגה על ידי השעיית מורכבים 1. גידול של התוכן אבקה או תוכן בלתי אופטימאליים של הסוכן לפיזור (מתחם 2) ושינוי היחס בינדר-crosslinker באמצעות כמות גבוהה יותר של crosslinker רב תכליתיים (הרכב 3) הוביל לעליה של צמיגות דינאמית, disadvantageously על התהליך. אם התוכן אבקת התחתון, יחד עם תוכן התחתון של crosslinker רב תכליתיים, בשילוב עם תוכן בלתי אופטימאליים של הסוכן לפיזור (הרכב 4), צמיגות דינאמית חריפה מופחת, שיכול להוביל יציב ההשעיה.
השינוי שחל אחסון מודולוס G´ של slurries על הקרנה אור יכול לעזור כדי ללמוד עוד אודות ההתנהגות ריפוי של המתלים. זה הוא השלים בדיקות ניסיוניות של עומק של ריפוי-מנהל ההדפסה עצמה. ההתנהגות ריפוי בזמנים שונים, ריפוי התאפיינה של השעיה אלומינה עם התנהגות rheological האופטימלית. לפני ריפוי מתחיל, ההשעיה מציג רמה נמוכה של G´ ומציגה ערכי מתחת 100 הפלסטינית. כאשר ריפוי מתחיל, שניתן להסיק על פלמור של אורגניקס photoreactive מעלייה של G´ לרמה גבוהה יותר. עם הזמן גדל והולך ריפוי, השיפוע של G´ עולה למקסימום בטווח של 10-5 עד 107 הרשות הפלסטינית אשר תלויה בהרכב. זמן ריפוי של 1 s הובילה G´ הסופי להלן 106 הרשות הפלסטינית, אשר לא מספיק כוח מינימלי הכרחי. עם הזמן גדל והולך ריפוי, יותר אנרגיה (פוטונים) מסופקים ההשעיה, מה שמוביל G´ גבוהה יותר כתוצאה תואר מהר יותר, גבוה יותר של המרה (שיפוע גבוה יותר). הזמן ריפוי אופטימלי עבור ההשעיה אלומינה מפותחת צריך להיות בטווח של 2-3 s. עם זמן ריפוי של 4 s, רמת הסופי של G´ והמדרון ריפוי בעלות ערכים גדולים, מעל 2 x 106 הפלסטינית. ההמרה היא כמעט מוחלט, כמעט אין פולימרים משומרים קיים. אספקת אנרגיה נוספת עלולה לגרום overcuring של slurry, של התקשות מוגזמת של הפולימר, וכתוצאה מכך מבנה שביר יש השפעה שלילית על הקובץ המצורף של המוצר עם פלטפורמת הבניין.
הרכיב מבחן יחיד-FGM שבחרת עבור כתב יד זה הוא מבנה השתל המי-נשימה עמוקה המכילה פגז החיצוני צפופה של הליבה המרכזית דמוי עצם נקבובי, כפי שניתן לראות באיור5. מודל זה יכול להיות additively מיוצרים, sintered פגם-חינם, כפי שנראה FESEM ההדמיה. עם המבנים המרשימים, עובי הקיר (פחות מ- 0.1 מ”מ) ניתן למימוש, אין דפורמציה ניכרת במהלך סינטור אירעה. התברר כי מיקרו של רכיבי אלומינה יחיד הוא אופייני עיבוד קרמיקה אלומינה בטמפרטורות מתיכות נתון, עם גודל גרגרים הומוגנית. נקבוביות באזורי בכמות גדולה הוא מאוד נמוך ( 99%, בהשוואה לצפיפות תיאורטית, הושג.
The authors have nothing to disclose.
הפרויקט זכה למימון מחקר 2020 אופק ותוכנית החדשנות של האיחוד האירופי תחת גרנט הסכם לא 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 |