Wytwarzanie addytywne funkcjonalnie klasyfikowanych materiałów ceramicznych metodą stereolitografii

Wytwarzanie addytywne funkcjonalnie stopniowanych elementów ceramicznych przy użyciu technologii produkcji ceramiki opartej na litografii może pomóc w opracowaniu innowacyjnych, zoptymalizowanych pod kątem funkcji struktur implantów medycznych. Główną zaletą tej techniki wytwarzania przyrostowego jest jej wysoka rozdzielczość. Wytwarzanie elementów ceramicznych przy użyciu metod opartych na stereolitografii zapewnia części o wysokiej precyzji i gęstości.

Do tej procedury należy używać proszków ceramicznych o wysokiej czystości o wielkości cząstek aminy mniejszej niż 0,5 mikrometra, wąskim rozkładzie wielkości cząstek i powierzchni właściwej około siedmiu metrów kwadratowych na gram. W misce do mielenia wymieszaj proszek i absolutny etanol w stosunku masowym 80 do 20. Dodaj jedną do dwóch kul młyna o średnicy milimetra w równej masie do proszku.

Następnie dodać około 0,5 do 2% wagowo środka dyspergującego, w zależności od ilości proszku. Miel mieszaninę przez 2 godziny przy 250 obr./min w planetarnym młynie kulowym. Następnie wyjmij kule młyńskie za pomocą siv z otworami o średnicy 500 mikrometrów.

Pozostaw zawiesinę do wyschnięcia w temperaturze pokojowej w dygestoriach przez 12 godzin, a następnie wysusz ją dalej w temperaturze 110 stopni Celsjusza przez 24 godziny. Zmielić suchy materiał przez siv z otworami siatki od 100 do 500 mikrometrów, aby uzyskać zdeaglomerowany funkcjonalizowany proszek. Następnie w puszce szybkoobrotowego planetarnego młyna kulowego wymieszaj ze sobą fotoinicjator aktywowany na długości fali używanej w urządzeniu drukującym, organiczne środki sieciujące i spoiwa oraz plastyfikator.

Dodaj od pięciu do 10 kul młyńskich wykonanych z materiału ceramicznego o średnicy od pięciu do 10 milimetrów. Homogenizować mieszaninę przez cztery minuty przy 1000 obr./min. Następnie wprowadź proszek do mieszaniny i homogenizuj go przez cztery minuty przy 1000 obr./min, 45 sekund przy 1500 obr./min i 30 sekund przy 2000 obr./min.

Następnie schłodzić puszkę wodą. Jeśli mieszanina wydaje się niejednorodna, powtórz proces. Następnie umieść około 1 mililitra zawiesiny żywicy wypełnionej ceramiką na płytce reometru, skonfigurowanego do testu obrotowego.

Zwiększ szybkość ścinania od 0,1 do 1000 sekund odwrotności przy stałej temperaturze 20 stopni Celsjusza podczas pomiaru momentu obrotowego. Upewnij się, że zawiesina wykazuje rozrzedzenie przy ścinaniu z lepkością dynamiczną poniżej 600 sekund paskala, dla szybkości ścinania 0,1 sekundy odwrotności i poniżej 10 sekund paskala dla szybkości ścinania od 10 do 300 sekund odwrotności. Na koniec oceń zachowanie utwardzania, wykonując pomiary oscylacyjne przed, w trakcie i po utwardzeniu przez ekspozycję na światło UV.

Skonfiguruj urządzenie do drukowania stereolitografii z cyfrowym przetwarzaniem światła. Upewnij się, że głębokość utwardzania jest co najmniej taka sama jak wybrane warstwy budowlane, a najlepiej kilkukrotnie grubsza. Następnie wygeneruj plik modelu 3D komponentu za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo.

Pokrój model komponentu na warstwy o odpowiedniej grubości i zapisz plik w formacie konturu sereolitografii. Prześlij ten plik do urządzenia drukującego przez sieć lub USB. Utwórz program do drukowania i ustaw czas utwardzania dla każdej warstwy, prędkość odlewania, prędkość platformy budowlanej i inne parametry.

Następnie napełnij zbiornik urządzenia drukującego mniej więcej do połowy przygotowaną zawiesiną żywicy ceramicznej. Przepompuj gnojowicę przez system, aż zacznie ponownie napełniać zbiornik. Przymocuj metalową płytę drukarską do platformy budowlanej za pomocą odsysania próżniowego i uruchom program drukowania.

W razie potrzeby napełnij zbiornik podczas procesu drukowania. Po zakończeniu wyłącz próżnię, trzymając płytę drukarską, aby pobrać komponent. Użyj alkoholu izopropylowego lub innego łagodnego rozpuszczalnika organicznego, aby usunąć pozostałą zawiesinę, a następnie pozostaw element do wyschnięcia w temperaturze pokojowej w wentylowanym miejscu.

Następnie usuń wiązanie i spiekaj element, aby zakończyć wytwarzanie. Ten proszek tlenku glinu o wysokiej czystości został zdeaglomerowany i funkcjonalizowany dyspergatorem. Po wysuszeniu funkcjonalizowany proszek uległ reaglomeracji, ale został równomiernie ponownie zdyspergowany w żywicy polimerowej.

Dla kompozycji zawiesinowych o różnej zawartości proszku oceniano współczynniki sieciowania di i tetrafunkcyjnego oraz ogólne współczynniki sieciowania spoiwa. Wszystkie cztery zawiesiny miały pożądane zachowanie rozrzedzania przy ścinaniu, ale tylko skład pierwszy wykazywał optymalne zachowanie przepływu zawiesiny. Jeśli lepkość dynamiczna jest zbyt wysoka, może to utrudniać odlewanie cienkich warstw gnojowicy z powodu braku przepływu.

Zbyt niska lepkość dynamiczna może spowodować, że gnojowica będzie swobodnie przepływać pod łopatką odlewaną lub powstanie niestabilnego zawieszenia. Przed wystawieniem zawiesiny żywicy ceramicznej na działanie światła, moduł magazynowania przy ścinaniu pozostał mniej więcej stały. Optymalny czas utwardzania do osiągnięcia minimalnej niezbędnej wytrzymałości bez nadmiernego utwardzania wynosił od dwóch do trzech sekund.

Ekspozycja trwająca dłużej niż cztery sekundy może spowodować kruchość z powodu nadmiernego utwardzenia. Wykorzystując optymalny skład zawiesiny aluminiowej i czas ekspozycji, ten badany komponent, z gęstą powłoką zewnętrzną i porowatym rdzeniem centralnym przypominającym kość, został wyprodukowany bez wad, o wyjątkowo niskiej porowatości i wysokiej gęstości w obszarach masowych. Technika przedstawiona w tym artykule jest przeznaczona do pracy z mieszankami żywic ceramicznych o wiskozie w celu osiągnięcia wysokiej precyzji niezbędnej w wytwarzaniu materiałów o stopniu funkcjonalnym.

Obecna technika toruje drogę do uzyskania wyników w produkcji ceramiki w celu opracowania fotoreaktywnych zawiesin ceramicznych. Mogą być one stosowane w bezskładnikowej ceramicznej produkcji addytywnej Lyrica w celu wytworzenia wysokiej jakości elementów ceramicznych.