マルチ材料セラミック ベースのコンポーネント-添加熱可塑性 3 D 印刷 (セラム - T3DP) 白黒ジルコニア部品の製造
2019年1月7日
ここで熱可塑性 3 D 印刷 (セラム - T3DP) 付加白黒ジルコニア部品の製造欠陥のない共同焼結のためのプロトコルについて述べる。
この方法は、セラミック炉、手術ツール、またはカスタマイズされた高級品などのマニホールドアプリケーションにセラミック部品のドアを開くのに役立ちます。この技術の主な利点は、いくつかの材料の位置が選択的に起こることです。そして、いくつかの材料の証明は、いくつかの材料特性とは独立して行われます。
この方法は、多材料法の分野における我々の知識の適応を考えたところから、この方法を考えました。熱可塑性懸濁液を作るために、まず粉末を選択します。黒と白のオブジェクトの添加物の製造には、2つの粉末が必要です。
この場合、選択肢はジルコニアブラック-1とジルコニア白1です。これは同等の中心温度を有する。粒子形状と表面積に関して一部を特徴付けるために、両方の粉末のフィールド放出走査電子顕微鏡画像を取得します。
ここでジルコニア白粒子の平均粒子径は、マイクロメートルの約4/10である。レーザー回折計で測定したジルコニアブラック粒子の平均直径は1マイクロメートルです。次に、熱溶解器で懸濁液を準備します。
パラフィンとミツロウの混合物を溶かして、100°Cの溶解器で各懸濁液を別々に準備します。続行する前に、溶融が完了していることを確認するために容器をチェックしてください。溶融が完了したら、ポリマー混合物を均質化する。
次に、リゾルバ ディスクの速度を下げます。次いで、いくつかのステップで、ジルコニア粉末の1つをゆっくりと添加し、その後、体積によって混合物の40%となる。パラフィン、ミツロウ、およびその他の化学成分を溶融した後、ポリマー混合物を均質化する。
次に、ディゾルバディスクの速度を下げます。次いで、いくつかのステップで、ジルコニア粉末の1つをゆっくりと添加し、その後、体積によって混合物の40%となる。粉末含有量が40%の場合は停止します。
黒と白の両方のサスペンションのターゲット値。次に、粉末ポリマー混合物を摂氏100度で2時間撹拌します。攪拌した後、混合物が前に均質化されていることを確認してください。
彼らが作成したように、各溶融懸濁液を、レオメーターを使用して特徴付けます。異なる温度に対するせん断速度の関数として、動的粘度をプロットします。これらのデータは、2つの異なる温度でジルコニアブラック-1、およびジルコニア白1のための。
所定の懸濁液と温度については、10秒のせん断速度で、動的粘度が100パスカル秒以下であることを確認してください。毎秒100のせん断速度の20パスカル秒以下。そして、毎秒5000のせん断速度のための1パスカル秒以下。
必要に応じて、温度を上げるか、ポリマー混合物を添加することによって、動的粘度を変更します。熱可塑性 3D 印刷装置の使用を開始します。この図面は、デバイス3つのマイクロディスペンスシステムを描いています。
これは同時に、または個別に動作することができます。また、プリントヘッド出力の特徴付けに使用されるプロファイルスキャナも描かれています。これは、印刷システムに表示される熱可塑性3Dプリントヘッドです。
使用するディスペンサーを 2 つ選択します。黒と白の添加剤製造の場合は、一方のディスペンサーに黒いサスペンションを追加し、もう一方のディスペンサーに白いサスペンションを追加します。準備ができたら、単一の液滴と液滴チェーンの堆積周波数、軸速度、およびその他のパラメータを変えることによって実験します。
出力を特徴付けるためにデータを収集するために青色のレーザーを使用するプロファイルスキャナを採用します。両方の材料の液滴が同じ特性を持つように、分配パラメータを識別します。異なる材料の高さの違いを避けるために、単一の液滴間の距離を調整します。
ここでは、異なるパラメータで生成され、黒と白の両方のサスペンションを使用して、単一の液滴および液滴鎖の例を示します。形状、体積および均質性のパラメータの範囲の出力を確認します。印刷パラメータを決定した後、目的の部分を決定します。
生成された部品の 3D モデルを使用し、モデルファイルをアディティブ・マニュファクチャリング形式で保存します。スライサーソフトウェアでは、対応するマイクロ塗布システムを割り当てることによって、異なるコンポーネント領域に2つの材料を割り当てます。G コードを生成してプリンタにアップロードします。
パラメーターが設定されていることを確認し、ジョブを開始します。この作品を印刷すると、毎秒8ミリメートルで約1時間かかります。ビルド処理が完了したら、サンプルを復元します。
この時点で、サンプルはバインド解除の準備が整いました。サンプルを使用して、バインド解除の準備を行います。サンプルを粗いスクリーンに置き、アルミナパウダーベッドにして支持と温度分布を行います。
次に、試料を用いた粉末ベッドを空気雰囲気炉に入れます。そして、欠陥のないボンディングを確実にするために加熱および冷却プログラムを設定します。室温のときにサンプルを取り出します。
次の手順に進みます。寝具の粉末からサンプルを取り除く。その後、細かいブラシで寝具パウダーを慎重に取り除きます。
2番目のデバインドの場合は、アルミナ窯の家具にサンプルを置きます。空気雰囲気のオーブンに戻り、より急速な加熱速度とサンプルの同じ冷却速度を使用します。冷却後、試料を大気雰囲気センタリング炉に持ち込みます。
サンプルを摂氏1、350度、2時間中心にします。これは、3Dモデルと一緒に、デバインディングとセンタリングステップの最後に製造された作品です。3D スキャナを使用して、コンポーネントの収縮を特徴付けます。
カットおよび研磨された印刷サンプルに対して、さらなる特性評価を行います。このフィールド放射走査電子顕微鏡画像は、中心ジルコニア白1とジルコニアブラック-1の間の平面界面の断面の画像である。2つの領域のエネルギー分散X線分光分析でより多くの情報を得る。
アルミナに関連するピークを探すと、結果はジルコニアブラック-1でより多くのアルミナクロスが発生することを示しています。これらの測定点は、ジルコニア黒領域内にある。それらの組成は、エネルギー分散型X線分光法で明らかにされる。
このより詳細な分析からスペクトルを示す、ジルコニア黒微細構造がアルミナ沈殿を有する。この技術を習得すると、セラミック部品の設計と使用方法を変えることができます。この技術を使用している間、あなたはそれが唯一の整形技術であることを覚えておく必要があります。
そして、緑の体は、最終的なセラミック特性を達成するために、結合解除し、中心にする必要があります。このビデオを見た後、あなたは、添加物製造によってセラミック材料を組み合わせる方法についての良い理解を持っている必要があります。
概要
この記事では、熱可塑性3Dプリンティング（CerAM - T3DP）と共焼結技術を用いた黒白ジルコニア部品の加法製造プロトコルを紹介します。この方法は、外科用器具やカスタマイズされた製品など、様々な用途のセラミックス部品の製造を容易にすることを目的としています。
主要な研究要素
科学の分野
- 加法製造
- セラミックス
- 3Dプリンティング技術
背景
- この方法は、黒と白の2種類のジルコニア粉末を使用します。
- 粉末の特性評価は、製造プロセスの適合性を確保するために不可欠です。
- サスペンションの動的粘度は、印刷の成功に重要です。
- 脱結合と焼結プロセスは、欠陥のない部品を得るために必要です。
研究の目的
- ジルコニア部品の製造のための信頼性の高いプロトコルを確立すること。
- これらのセラミック部品の潜在的な応用を探ること。
- 望ましい材料特性を達成するための印刷パラメータを最適化すること。
使用された方法
- 特定の粉末比率を持つ熱可塑性サスペンションの調製。
- 複数のディスペンサーを持つ熱可塑性3Dプリンティングデバイスの利用。
- プロファイルスキャナーを使用した出力の特性評価。
- 部品を完成させるための脱結合と焼結プロセス。
主な結果
- 黒白ジルコニア部品の印刷に成功。
- 印刷されたサンプルの特性評価は、適切な収縮と接合を示しました。
- 動的粘度の測定値は印刷に適した範囲でした。
- エネルギー分散型X線分析により、材料組成の洞察が得られました。
結論
- 開発されたプロトコルにより、ジルコニア部品の効果的な製造が可能になりました。
- 様々な分野での応用可能性は、この方法の多様性を強調しています。
- さらなる研究により、材料特性と応用の最適化が拡大される可能性があります。
よくある質問
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
