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Engineering

Additive Manufacturing funktional abgestufte keramischer Werkstoffe durch Stereolithographie

Published: January 25, 2019 doi: 10.3791/57943
Automatic Translation
*1, *2, 2, 1, 2
1Admatec Europe B.V., 2Fraunhofer Institute for Ceramic Technology and Systems IKTS Dresden
* These authors contributed equally

Summary

Dieses Manuskript beschreibt die Verarbeitung einzelner multifunktionale keramische Komponenten (z.B. Kombinationen von dichten porösen Strukturen) Additiv von Stereolithographie hergestellt.

Abstract

Eine additive Fertigung-Technologie wird angewendet, um funktional abgestufte keramische Bauteile zu erhalten. Diese Technologie, basierend auf digitalen leichte Verarbeitung/Stereolithographie, ist im Rahmen des Europäischen Forschungsprojekts CerAMfacturing entwickelt. Eine dreidimensionale (3D) Hemi-Kiefer Knochen wie Struktur ist 3-d mit benutzerdefinierten Aluminiumoxid Polymeren Mischungen gedruckt. Pulver und Mischungen sind vollständig in Bezug auf die rheologischen Verhalten analysiert, um richtige Material-handling während des Druckvorgangs zu gewährleisten. Die Möglichkeit, funktional auszudrucken benotet Materialien unter Verwendung der Admaflex Technologie in diesem Dokument erläutert wird. Feldemission Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) zeigen, dass der gesintertem Aluminiumoxid Keramik Teil hat eine weniger als 1 % Porosität und kein Rest der ursprünglichen geschichtete Struktur findet sich nach Analyse.

Introduction

Hochkomplexen technischen Keramik werden zunehmend nachgefragt in fast allen Bereichen der Anwendung, einschließlich der vielen industrielle Bereichen. Menschlichen Gesundheitswesen findet mehr und mehr Anwendungen durch die Leichtigkeit der Individualisierung der Produkte für jeden Patienten. In den letzten zehn Jahren hat additiver Fertigung die Möglichkeiten der einzelnen medizinischen Behandlungen verbessert.

Additive manufacturing (AM) ist eine Verarbeitungstechnologie, die die Übersetzung ein computergeneriertes 3D-Modell in ein physisches Produkt durch sequenzierte Zugabe von Material. In der Regel eine Reihe von 2-D-Schichten bilden einen Stapel, die Ergebnisse in eine 3D-Form, so dass die Produktion von Komponenten mit ein, so weit, noch nie da gewesenen Gestaltungsfreiheit. Dies gilt als State-of-the-Art shaping Technologie für Polymere und Metalle. Die erste industrielle Technologien für keramische Verarbeitung sind verfügbar1,2, und fast alle bekannten AM Technologien dienen AM Single-Material Keramik in Labors auf der ganzen Welt3,4, 5. Uhr, vor allem Stereolithographie, begann in den 1980er Jahren und wurde von Rumpf6entwickelt. Unterschiedlichen Ansätze und Materialien führen zu einer Vielzahl von Produkteigenschaften, wie Größe, Rauheit oder mechanischen Eigenschaften. Alle additive Fertigungsverfahren lassen sich in zwei Gruppen einteilen: lenken additiven Fertigung Technologien5, die auf die selektive Abscheidung des Materials (z.B., jetten Prozesse wie Direct Inkjet Material basieren Druck oder thermoplastischen 3D-Druck [T3DP])7,8,9,10und indirekte Additiven Fertigungstechnologien, die auf die selektive Konsolidierung des Materials beruhen die auf die gesamte Ebene (z. B.keramische Stereolithographie [SLA]) abgelegt wird.

Die Komplexität und die Bereitschaft der neuen Anwendungen verlangen eine Verbesserung der Uhr Keramik Verarbeitungstechnologien. Beispielsweise müssen besondere innovative industrielle und medizinische Anwendungen unterschiedliche Eigenschaften innerhalb der gleichen Komponente enthalten, die zu funktional benotet Materialien (FGMs) führt. Diese Materialien umfassen eine Vielzahl von Eigenschaften hinsichtlich Übergänge in der Mikrostruktur oder in der materiellen11. Diese Übergänge können diskret oder kontinuierlich sein. Verschiedene Arten von FGMs sind bekannt, wie z. B. Komponenten mit materiellen Steigungen oder abgestuften Porosität sowie mehrfarbige Komponenten. FGM-Komponenten können durch einzelne konventionelle Formgebung Technologien12,13,14,15,16,17 oder durch eine Kombination dieser Technologien gefertigt werden, zum Beispiel molding durch in-mould-labeling als eine Kombination von Band-Casting und Injektion18,19.

Um die Vorteile der Uhr mit den Vorteilen der FGMs Keramik-basierten 4D Komponenten20 (drei Dimensionen für die Geometrie und einen Freiheitsgrad bezüglich der Materialeigenschaften in jeder Position) zu kombinieren, Admatec Europa entwickelte eine Stereolithographie-basierte 3-d-Drucker im Rahmen des Europäischen Forschungsprojekts "CerAMfacturing" für die AM Multi-funktionale oder Multi-material-Komponenten.

Die Technologie angepasst FGM-Komponenten ist ein Stereolithographie-basierter Ansatz, der beschäftigt einen digitalen Licht Prozessor (DLP) als Lichtquelle mit einem digital Micromirror Vorrichtung Chip (DMD), verwendet, um ein Harz polymerisieren, die mit verschiedenen Pulvern gemischt werden kann. Die DMD-Chip hat eine Reihe von mehreren hunderttausend mikroskopisch kleine Spiegel, die entsprechen die Pixel im Bild angezeigt werden. Die Spiegel können einzeln gedreht werden, um eine on / off-Position des Pixels festgelegt. Die am meisten verwendeten Harze basieren auf Mischungen aus Acrylat und/oder Urethan Monomere. In diesen Mischungen fanden wir auch andere Zusätze, wie Licht-absorbierenden Photoinitiator Moleküle und Farbstoffe. Die Harzmischung wird in der Regel in einem Container oder Bad, auch Mehrwertsteuer genannt gegossen. Die Polymerisation wird durch die Reaktion eines Moleküls Photoinitiator (PI), mit dem Licht Photonen durch die DMD-Chip erzeugt induziert. Verschiedenen Harz Monomer Strukturen führen verschiedene Polymerisation, Schrumpfung und die endgültige Struktur. Zum Beispiel wirkt sich die Verwendung von monofunktionalen Monomere vs. polyfunktionalen Monomere in der Vernetzung von Polymeren Netzwerk.

Einer der wichtigsten Parameter zu berücksichtigen mit keramischen SLA ist die Lichtstreuung Effekt entsteht, wenn Licht (Photonen) durch verschiedene Materialien durchquert. Dies ist stark beeinflussen; in diesem Fall werden die Harze mit einer Menge an Pulver, eine Aussetzung oder Gülle zu generieren kombiniert. Die Gülle besteht dann aus Materialien, die einen unterschiedlichen Brechungsindex, das Licht zu präsentieren. Ein großer Unterschied zwischen den Werten der Brechungsindex des Harzes und das Pulver wirkt sich auf die Maßhaltigkeit der Schichten, die Polymerisation-Preise und die leichte Gesamtdosis die Polymerisationsreaktion auslösen. Wenn Licht die Suspension tritt, beugen die Pulverpartikel (d.h., Keramik, Metall oder anderen Polymeren) den Lichtweg. Dieser Effekt verursacht eine Änderung in den Originalpfad (bestrahlten) Photonen. Wenn die Photonen eine Flugbahn schräg zur Exposition Richtung haben, können sie eine Polymerisationsreaktion an einem Ort generieren, die quer zur ursprünglichen Richtung sein kann. Dieses Phänomen führt zu Überbelichtung, wenn die ausgehärtete Gülle größer als die exponierte Fläche erstreckt. Ebenso wird es unter-aussetzen, wenn die ausgehärtete Gülle Schicht kleiner als die ursprünglich ausgesetzt ist.

Innerhalb der Handschrift bezeichnet man die Suche nach der AM Aluminiumoxid Komponenten verbindet ein dichtes und makroporösen Struktur, über die Admaflex-Technologie realisiert. Wie im europäischen Forschungsprojekt "CerAMfacturing" erklärt, benötigt die Produktion von FGM Keramikteile eine hohe Auflösung und gute Oberflächeneigenschaften, die anspruchsvollen Anwendungen gerecht zu werden. DLP-KÖRAFORM Technologien, wie Sie hier beschrieben wird, können die Forscher solche Keramik-basierte, voll funktionsfähigen Komponenten zu erhalten.

Protocol

1. Entwicklung von lichthärtenden Keramik Suspensionen

  1. Auswahl von keramischen Pulvern
    1. Hochreine Keramikpulver (z.B. Aluminiumoxid-Pulver von Reinheit von 99,9 % oder höher) verwenden.
    2. Wählen Sie Pulver mit (1) eine enge Korngrößenverteilung für Arme Viskosität, (2) eine mittlere Korngröße von < 0,5 µm für gute Sinterung und (3) eine spezifische Oberfläche in der Nähe von 7 m2/g für eine niedrige Viskosität.
  2. Pulver-Spezifikation
    1. Charakterisieren Sie die Pulver bezüglich Form, Fläche und Partikelgrößenverteilung ggf. (Table of Materials).
    2. Die Kornform verwenden, zum Beispiel FESEM Analysen zu charakterisieren. Um dies zu tun, nehmen (wenige Milligramm) des Pulvers mit einem Spatel und Kaution es auf einem Carbon Band Platz mit einer Fläche von ca. 100 mm2. Das Ensemble vor der Einführung in das Mikroskop Kammer Aluminiumdraht.
    3. Beurteilen Sie die Korngrößenverteilung der eingesetzten Pulver mit, zum Beispiel eine Lasermethode Beugung. Put (wenige Milligramm) der Probe mit einem Spatel in die Mischkammer der Maschine und desagglomerieren mit Hochfrequenz-Ultraschall "Wellenlinien" 5 X 5 min jedes Mal.
    4. Messen Sie die spezifischen Oberflächeneigenschaften der verwendeten Pulver mit dem Brunauer-Emmet-Teller (BET)-Ansatz. Sammeln Sie die Adsorption/Desorption isothermen in flüssigem Stickstoff. Entgasen Sie die Proben bei 150 ° C vor den Messungen.
  3. Auswahl von Polymeren Harz
    1. Wählen Sie zum Beispiel ein monofunktionalen Bindemittel (1; siehe Tabelle of Materials) zusammen mit einer di(2) und Tetra (3)-funktionale Vernetzer (siehe Tabelle der Materialien) und einen Photoinitiator (4; siehe Tabelle of Materials) aktiv in der Wellenlänge von der verwendeten Druckgerät light-Engine, in diesem Fall bei 405 nm.
    2. Für eine flexiblere Polymernetz verwenden eine Plastifizierung Flüssigkeit (5; siehe Tabelle of Materials).
  4. Herstellung von keramischen Suspensionen
    1. Falls erforderlich, desagglomerieren die Aluminiumoxid-Pulver mit einem flüchtigen Lösungsmittel wie Ethanol absolut, zusammen mit einem Dispergiermittel (siehe Tabelle der Materialien) und Aluminiumoxid Fräsen Kugeln.
      1. Dazu mischen Sie 80 wt.% Pulver mit 20 wt.% Lösungsmittel zusammen mit der gleichen absolute Masse-wie Pulver Mühle Kugeln mit einem Durchmesser von 1-2 mm und fügen Sie Dispergiermittel in einem Bereich von 0,5 bis 2,0 wt.% basierend auf dem Pulver Inhalt hinzu.
      2. Die Mischung für 2 h in einer planetaren Kugelmühle Mühle (siehe Tabelle der Materialien), um das Pulver desagglomerieren um die primären Partikelgröße zu erreichen.
      3. Nach dem Fräsen, trennen Sie die Pulver-Masse von der Mühle-Kugeln durch ein Sieb (mit einer Maschenweite von 500 µm) und trocknen Sie die Aufhängung in einer Dampfhaube für 12 h bei Raumtemperatur und anschließend in einem Ofen Trockner für 24 h bei 110 ° C.
      4. Mahlen Sie das getrocknete Pulver durch ein Sieb (100-500 µm) zu den deagglomerated und funktionalisierten Pulver.
        Hinweis: Die Oberfläche der Partikel ist jetzt mit der Dispergiermittel für eine stabile und niedrigviskose Suspension funktionalisiert.
    2. Passen Sie die Eigenschaften von den entwickelten Suspensionen, vor allem die dynamische Viskosität, um den Druckvorgang. Dabei wurden vier verschiedene Verbindungen bereit und zeichnet sich im Hinblick auf dynamische Viskosität und deren Heilung Verhalten. Vier verschiedene Verbindungen (I, II, III, und IV) entstanden durch eine Änderung der Kompositionen.
      1. In Verbindung benutze, ich ein Verhältnis von 1,5 zwischen di und Tetra-funktionale Vernetzer. Verwenden Sie ein Verhältnis zwischen der kompletten Vernetzer und dem monofunktionalen Bindemittel von 1,2. Der Inhalt der Photoinitiator war 1,3 wt.% reaktive Harz und der Inhalt der Weichmacher 30 wt.% des gesamten. In Verbindung benutze, ich eine Pulveranteil von 78 wt.%.
      2. Erhöhung der zusammengesetzten II Pulveranteil, 82 wt.%.
      3. Erhöhen Sie in zusammengesetzten III die Tetra-funktionale Vernetzer durch die Änderung des Verhältnis von di und Tetra-funktionale Vernetzer auf 1,8.
      4. Reduzieren Sie in zusammengesetzten IV die Pulveranteil auf 75 wt.% und ändern Sie das Verhältnis von der Vernetzer zu monofunktionalen Bindemittel auf 1,0.
    3. Mischen Sie die verschiedenen organischen und photoreaktiven Komponenten basierend auf die Verbindungen, die I bis IV im Abschnitt 1.4.2 beschrieben. Die Komponenten in einer Dose ein High-Speed-Planeten-Kugelmühlen einführen (siehe Tabelle der Materialien) und die Mischung für 4 Minuten bei einer Geschwindigkeit von 1.000 u/min zu homogenisieren. Darüber hinaus kann Weichmacher hinzugefügt werden, um eine höhere Flexibilität des Polymers nach der Aushärtung zu erhalten.
  5. Pulver in die Polymer-Mischung hinzufügen
  6. Die Mischung auf drei Ebenen zu homogenisieren: 4 Minuten bei 1.000 u/min, 45 s bei 1.500 u/min und 30 s bei 2.000 u/min.
    Hinweis: Bei einer erhöhten Temperatur kühlen Sie ab, die Dose mit Wasser. Wiederholen Sie ggf. die Vermischung eines zweiten Mal.
  7. Charakterisierung der suspension
    1. Das rheologische Verhalten, vor allem die dynamische Viskosität als ein Merkmalswert das Fließverhalten zu charakterisieren. Die Messanordnung sollte auf die Druckparameter Prozess, vor allem die Geschwindigkeit des Gießens beruhen.
      1. Verwenden Sie ein Rheometer mit einem Kegel/Platte-Mess-System (25 mm Durchmesser), einstellbar zwischen-25 ° C bis 200 ° C (siehe Tabelle der Materialien).
      2. Legen Sie eine Probe (ca. 1 mL) der Suspension auf die Platte, und befolgen Sie die Messung von dem Rheometer für eine Rotations-Messung.
      3. Analysieren Sie die dynamische Viskosität durch die Erhöhung der Scherrate von 0,01 bis 1000 s-1 bei einer konstanten Temperatur von 20 ° C und das Drehmoment zu messen.
        Hinweis: Während des Prozesses wird die Suspension mit einer Geschwindigkeit von 40 mm/s umgewandelt. Daher ist die Schergeschwindigkeit ca. 200 s-1, für die Bewegung der gedruckten Komponente niedriger, und auf die Bauplattform innerhalb der beschichteten Suspension. Folglich wird der Aufbau der rheologischen Messung definiert.
      4. Stellen Sie sicher, dass die Aussetzung eine Scherung Ausdünnung Verhalten mit einer dynamischen Viskosität unter 600 Pa·s für einer Scherrate von 0,1 s-1 und unter 10 Pa·s für Scherraten von 10 bis 300 s-1zeigt.
    2. Prägen Sie die Aushärtung Verhalten der entwickelten Suspensionen. Analysieren Sie das heilende Verhalten von oszillierenden Messungen vor, während und nach der Belichtung mit Licht (mit einer Wellenlänge von 300 bis 500 nm).
      1. Verwenden Sie ein Rheometer (siehe Tabelle der Materialien), z. B.einstellbar zwischen-25 ° C bis 200 ° C, mit einem Teller / Platte-Mess-System (25 mm Durchmesser) mit einem Abstand von 50 µm, in Kombination mit einer blauen LED-Lichtquelle (Glas) (mit einer Wellenlänge von 405 nm).
      2. Die LED unter dem (Glasplatte) zu beheben und die Intensität entspricht der Druck Intensität (ca. 33 mW/cm2) mit einem Photometer.
      3. Eine Aussetzung Stichprobe von etwa 1 mL auf (Glasplatte) und bewegen der Platte des Messsystems an die Messposition mit einem Abstand von 50 µm.
      4. Messen das Speicher-Modul G´ — ein Teil der komplexen Schubmodul G * — mithilfe einer fortwährenden Materialverformung Amplitude (z.B.0,1 % [0,09 °]) mit einer Frequenz von 10 rad/s.
      5. Messen Sie vor der Exposition, G´ in Intervallen von 10 s für 60 s. Dies entspricht einer ersten Plateau des G´ für die flüssige Suspension.
      6. Einmal abgeschlossen, starten Sie die Belichtung nach 60 s mithilfe von die blaue LED (siehe Table of Materials) für einen definierten Zeitraum (z.B. 1-4 s). Maßnahme G´ während und nach der Exposition. G´ erhöht sich aufgrund der Exposition, die den Polymerisationsprozess angibt. Je nach der Belichtung Zeit und Federung Eigenschaften erhöht G´ während der Polymerisation zu einem zweiten Plateau.

2. Herstellung von Single-benotet und FGM Komponenten von keramischen SLA

  1. Verwenden Sie eine keramische DLP-SLA-Druckgerät. Der Apparat Beschreibung finden Sie unter Diskussion .
    1. Untersuchen Sie die Tiefe der Härtung. Dieser Schritt ist notwendig, um die heilenden Fähigkeiten des Schlickers (d.h. die Eindringtiefe des Lichtes und der anschließenden Polymerisation) festzustellen. Dafür:
      1. Etwa 1 mL der Keramik gefüllt Harz Slurry (vorbereitet in Schritt 1.4) auf ein Stück Klarsichtfolie auftragen (siehe Diskussion) mit Hilfe einer Spachtel. Mit einem Spatel Polymer, das hat eine hohe chemische Beständigkeit (z.B. eine Nylon-Glas-Faser-Spachtel).
      2. Legen Sie die Folie mit der Gülle auf der Druckplatte Glas bündig.
      3. Projekt mit der DLP-SLA-Druckgerät, einem maskierten Lichttest Belichtung für eine feste Anzahl von Sekunden in einem Bereich von 0,5 bis 4 s.
      4. Entfernen Sie die überschüssige polymerisierte Gülle.
      5. Messen Sie die gehärtete Schicht mit Hilfe von einem Mikrometer. Die ausgehärtete Dicke muss identisch mit dem des gewählten Gebäude lagen, es wird zwar empfohlen, mehrmals die Dicke der Schicht zu erreichen, um genügend Lichteinfall zu bieten.
      6. Wiederholen Sie die Schritte 2.1.1.1. 2.1.1.5 bis die gewünschte ausgehärtet ist Dicke erreicht.
  2. Die funktional abgestufte materiellen Teile wie folgt herstellen.
    1. Erstellen Sie ein 3D-Modell des gewünschten Teils mit CAD-Software.
    2. Schneiden Sie die 3-d-Datei, um die gewünschte Dicke Schichten mit Hilfe einer Schneid-Software. Typische Schichtdicke der Druck System reicht von 25 bis 100 µm. speichern Sie die in Scheiben geschnittenen Datei im *.slc-Format.
    3. Die *.slc-Datei, um das Gerät per USB oder Netzwerk-Verbindung zu übertragen.
    4. Erstellen Sie ein Druckprogramm und passen Sie die Druckparameter (z.B.Aushärtungszeit pro Schicht und Transportgeschwindigkeit [Gießgeschwindigkeit] Bauplattform beschleunigt).
    5. Füllen Sie das Reservoir an das Druckgerät um die Hälfte seiner Kapazität mit keramische Schlicker (ca. 200 g).
    6. Transport der Gülle um das Pumpsystem zu füllen, bis der Brei beginnt wieder in das Reservoir gepumpt werden. Stellen Sie sicher, dass die generierten Gülle Schicht mehrere mal dicker als die gezielte Datei Scheibendicke Schicht ist.
    7. Legen Sie eine Druckplatte aus Metall auf die Bauplattform mit Unterdruck der Vakuumpumpe integriert das Druckgerät.
    8. Starten Sie das Druckprogramm.
      Hinweis: Das Druckgerät wird automatisch die Gülle-Schicht transportieren. Nachfüllen Sie Gülle-Tank während des Druckens bei Bedarf.
    9. Wenn das Druckprogramm abgeschlossen ist, entfernen Sie die Druckplatte aus Metall mit dem Produkt. Schalten Sie die Vakuumpumpe und halten Sie die Platte zur gleichen Zeit.
    10. Reinigen Sie die restlichen Gülle an der Oberfläche mit einer milden organischen Lösungsmitteln (z.B. Isopropanol) befestigt. Eine dünne Schicht aus Gülle kann an die Oberfläche der Teile, akzentuiert mit Produkten mit einer großen Oberfläche haften bleiben.
    11. Trocknen Sie die gespülten Produkte bei Raumtemperatur unter einem Abzug.

3. Co-Entbinderung und Co Sintern der Single benotet und FGM-Komponenten

  1. Debind die grüne Proben, wie in den folgenden Schritten beschrieben.
    1. Legen Sie zuerst die Proben auf eine spezielle Brennhilfsmittel, bei einer Temperatur von mindestens 50 ° C gesintert wurde, höher als die endgültige Sintertemperatur der gedruckten Komponenten. Auf diese Weise ist es nicht notwendig, die debound Komponenten auf einem anderen Brennhilfsmittel übertragen.
    2. Führen Sie eine Entbinderungsprozess Programm mit einer niedrigen Heizrate in einem Ofen (siehe Tabelle der Materialien) unter Luftatmosphäre bis zu 600 ° C (z.B.mit einer Heizrate von 7,5 ° C/h). Verwenden Sie eine Verweilzeit bei 200 ° C, 400 ° C und 600 ° C 10 h Erhöhung der Heizrate bei 600 ° C bis 60 ° C/h bis zu 900 ° C und die Nutzung einer Haltezeit von 2 h. mit einer Rate von 3-5 ° C/min abkühlen.
      Hinweis: Dieses Zyklus basiert auf vorherige Charakterisierung von TGA-DSC; eine andere Gruppe von Harz Polymerzusammensetzung erfordern jedoch ein aktualisiertes Entbinderungsprozess Programm. Dies ist ein entscheidender Schritt in der keramischen Fertigung und sollten nicht ignoriert werden.
      Hinweis: Alle organischen Bindemittel Materialien sind, zu diesem Zeitpunkt thermisch entfernt, während im selben Schritt ein presintering der Aluminiumoxid Partikel eingeleitet wird, um die spätere Übertragung der Proben an ein Sintern Brennofen sicher zu ermöglichen.
    3. Die Proben mit der Trägerplatte zu einem Sintern Ofen zu übertragen (siehe Tabelle der Materialien).
    4. Sintern der Proben unter Luftatmosphäre bei 1600 ° C 2 h im Ofen. Verwenden eine Heizrate von 3 ° C/min bis zu 900 ° C, gefolgt von 1 ° C/min auf die Endtemperatur von 1.600 ° C.
      Hinweis: Die erwartete lineare Schrumpfung der Komponenten ist ca. 20-25 % in die x-und y-Richtung und 25-30 % in Z-Richtung.

4. Charakterisierung der Single benotet und funktional abgestufte Komponenten

  1. Schneiden Sie die Proben mit einer Diamant-Säge und Polieren Sie die Oberfläche mit Ceramographic Methoden.
    1. Untersuchung die Mikrostruktur mit FESEM (siehe Tabelle der Materialien).
      Hinweis: Überprüfen Sie die Porosität der beiden funktional abgestuften Phasen und an der Grenze-Schnittstelle der verwendeten Materialien. Um eine ausführlichere Ergebnis zu erhalten, führen Sie eine Schnittstelle-Analyse. Wenn die Porosität zu hoch ist, optimieren Sie die Aussetzung Zusammensetzung (Abschnitt 1), die Druckparameter (Abschnitt 2.2) und/oder die thermische Behandlung (Abschnitt 3). Die gezielte Porosität liegt unter 1 %.

Representative Results

Für die Herstellung von Einzel-Material-Komponenten und, schließlich, funktionell wurden abgestufte Strukturen durch eine Kombination von dichten und porösen Abschnitte in einem makroskopischen Bereich, nur Suspensionen basierend auf Aluminiumoxid verwendet.

Das Messergebnis des durchschnittlichen Partikeldurchmesser (D50) von der verwendeten Aluminiumoxid-Pulver nach Zerstreuung war 0,47 µm. Dieses Ergebnis korreliert mit den gegebenen Informationen von einer tatsächlichen Teilchengröße von 0,45 bis 0,5 µm vom Lieferanten. Abbildung 1A zeigt die FESEM Analyse der Aluminiumoxid-Pulver vor Vorbereitung und Abbildung 1 b ein FESEM Bild einer Granulat-Oberfläche im Detail. Abbildung 1 und Abbildung 1 zeigen das gleiche für die deagglomerated Tonerde im getrockneten Zustand. Die unbehandelten Pulver sind nicht als einzelne Primärpartikel, aber als große kugelförmige Granulat (mit einem Durchmesser bis zu 100 µm), die eine typische Bedingung für trockene Rohstoffe drücken. Die FESEM Bilder der Granulat-Oberflächen zeigen die Primärteilchen der Tonerde unbehandelt (Abbildung 1 b) und deagglomerated (Abbildung 1) mit einer tatsächlichen Teilchengröße von ca. 0,45 µm.

Abbildung 2 zeigt die dynamische Viskosität der entwickelten Suspensionen basierend auf Aluminiumoxid-Pulver in Abhängigkeit von der Schergeschwindigkeit — logarithmische Darstellung – und je nach unterschiedlichen Zusammensetzungen, die inhaltlichen Anforderungen vielfältig Pulver, Bindemittel-Vernetzer Verhältnis und Inhalt das Dispergiermittel. Alle Aussetzung Kompositionen zeigen eine Schere Ausdünnung Verhalten, aber unterschiedlichem dynamische Viskositäten.

Die Federung Homogenität ist mit einem FESEM Bild eine dünne Scheibe aus Keramik-Polymere Harz in Abbildung 3 dargestellt. Die keramischen Primärteilchen erscheinen deutlich während der Polymeren Harz ist in gewissem Maße von den Elektron-Detektor nicht erkannt.

Die Messung des Elastizitätsmoduls Lagerung ist G´ als Funktion der Zeit, das heilende Verhalten als zeitabhängig zu charakterisieren in Abbildung 4dargestellt. Die einstellbare Parameter von das Druckgerät hilft, um die Aushärtezeit während des Druckens zu bewerten. Generell zeigt die Aussetzung ein konstantes Niveau von G´ unter 1.000 Pa für eine stetige Deformation. Während der Belichtung der Suspensionen, die beginnt nach 60 s, G´ erhöht, abhängig von der Belichtungszeit – variiert in einem Bereich von 1 bis 20 s – auf ein höheres Niveau der G´, oberhalb von 105 PA. Innerhalb des Diagramms repräsentieren die Kurven unterschiedliche Belichtungszeiten von einer Suspension, die Einfluss auf die Stärke der ausgehärtete Polymer-Keramik-Verbund zu zeigen.

Die Keramik SLA-Druckmaschinen, mit Hilfe der Admaflex Technologie, verträgt hohe Viskosität keramischen Schlämme durch das Transportsystem. Die FGM-Teile können von einem Pixel für Pixel-Steuerelement gedacht werden, die das bestrahlte Licht für jeden Abschnitt des Netzwerks leitet. Die unter- und Überbelichtung Effekte können durch die gleichen Pixel für Pixel Control-Funktion kompensiert werden. Darüber hinaus wird ergänzt durch eine entwickelte Software-Suite, die die verschiedenen Bereiche zu identifizieren – porös und dichten — um die leichte Verhaltensunterschiede pro exponierten Bereich auszugleichen. Diese proprietäre Technologie bietet angepasste lichthärtenden Strategien, um solche Abschnitte.

Mithilfe einer Suspension mit dem Verhalten der dynamischen Viskosität wie in Zusammensetzung 1 (Abbildung 2), Einkomponenten-FGMs mit 3-d-Strukturen dargestellt wurden nach der empirischen Bestimmung der Parameter des Gerätes hergestellt. Abbildung 5A zeigt eine komplexe 3-d-Modell und Abbildung 5 b zeigt die gesinterten Teststruktur auf die Aluminiumoxid-Suspensionen Additiv im Rahmen des Forschungsprogramms hergestellt.

Abbildung 6 zeigt FESEM Bilder der Mikrostruktur einer Einzel-Material-FGM-Komponente innerhalb der dichten Teil; die Porosität liegt im makroskopischen Bereich.

Figure 1
Abbildung 1: FESEM Bilder. Die ersten beiden Platten zeigen Feldemission Raster-Elektronenmikroskop Bilder von (A) die ursprüngliche Aluminiumoxid-Pulver und (B) Oberflächendetails. Die nächsten beiden Fenster anzeigen Feldemission Scan Mikroskop-Bilder (C) die Pulverpartikel nach Deagglomerisation und (D) Detail Oberfläche. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: dynamische Viskosität als Funktion der Schergeschwindigkeit für verschiedene entwickelten Suspensionen als je nach Zusammensetzung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: Feldemission Rasterelektronenmikroskop Bild einer Keramik-Harz-Suspension. Die Abbildung zeigt die Pulver Aussetzung Homogenität auf dem Polymeren Harz.

Figure 4
Abbildung 4: Storage Modul G´ als Funktion der Zeit für verschiedene Suspensionen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen.

Figure 5
Abbildung 5: 3-d Modellierung und Druck. (A) dieses Panel zeigt eine 3-d-Modell einer Einzel-Material funktional abgestufte Keramik Materialkomponente. (B) dieses Panel zeigt das gesinterte Ergebnis des Druckprozesses.

Figure 6
Abbildung 6: Feldemission Elektronenmikroskop Bilder einer gesintertem Aluminiumoxid-Struktur scannen. (A) dieses Panel zeigt eine Übersicht. (B) dieses Panel zeigt ein detailliertes Bild. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Discussion

Für medizinische Implantate muss der Rohstoff von hoher Reinheit, idealerweise von 99,9 % und höher. In diesem Projekt ist eine nichtkommerzielle Tonerde Pulver mit einem engen Korngrößenverteilung, eine durchschnittliche Partikel Größe < 0,5 µm und einer spezifischen Oberfläche von ca. 7 m2/g verwendet. Alternativ ist es auch möglich, kommerzielle stoffliche Zusammensetzungen zu verwenden.

Um die am besten geeigneten Umgang mit Bedingungen für diese besondere Keramik-Polymer-Schlämme zu erreichen, verwenden Sie die oben genannten Drucktechnologie. Diese Technologie verfügt über ein Transportsystem für die Folie, die die Gülle aus einem Reservoir um den Druckbereich trägt. Der Druckbereich besteht aus einer transparenten Glasfläche an der Unterseite, unter denen ist, dass die Projekte die in Scheiben geschnittenen Schichten eine Lichtquelle. An der Spitze der Druckbereich ist eine Gebäude-Plattform, die vertikal durch eine z-Folie oben und unten bewegen kann. Das Produkt hängt dann, auf der Oberfläche der Druck Metallplatte, die durch Vakuum-Saug über den Druckbereich befestigt werden kann. Die unbenutzte Gülle wird dann durch einen Scheibenwischer, überholte und pumpte zurück zu der ursprünglichen Reservoir, wodurch einen geschlossener Kreislauf ermöglicht es Forschern, die Gülle wiederzuverwenden, die nicht für den Bau des 3D-Modells verbraucht wurde gesammelt. Verschiedene Software-Parameter können geändert werden, um den Prozess zu verschiedenen Gülle Kompositionen und keramischen Füllstoffen anpassen. Der Drucker muss in einem Raum mit kontrollierten Licht, Temperatur und Luftfeuchtigkeit Einstellungen platziert werden. Der Raum muss für das äußere Licht mit einem UV-Filter versehen werden; Darüber hinaus empfiehlt es sich, eine Temperatur von ca. 20-24 ° C und einer relativen Luftfeuchtigkeit unter 40 % haben. Die FESEM Bildgebung zeigt eine deutlich größere durchschnittliche Partikelgröße von Aluminiumoxid-Pulver nach Deagglomerisation, im Vergleich zu den theoretischen 0,45-µm Aluminiumoxid Materialanalysen durch den Lieferanten. Dies lässt sich in Bezug auf die Agglomeration. Während der Trocknung, nach dem Deagglomerisation-Schritt agglomerieren erneut die Partikel, wie in Abbildung 1zu sehen. Während der Aussetzung Vorbereitung können die neu agglomerierten Partikel Dank der Oberfläche Funktionalisierung Schritt verteilt werden. Eine kleinere scheinbare Korngröße kann man in der FESEM Bildgebung des Schlickers in Abbildung 3.

Bezug auf das rheologische Verhalten sollte eine ideale Gülle für SLA Keramiktechnologie (z.B. Admaflex Technologie) eine Schere Ausdünnung Verhalten (d. h., abnehmende dynamische Viskosität bei höheren Schergeschwindigkeiten) haben. Für eine optimale Besetzung auf unterstützende Folie oder Nutzung innerhalb einer Dosiereinheit sollte die dynamische Viskosität bei einer idealen Bereich bei niedrigen Scherraten gehalten werden. Bei zu hoch dynamische Viskosität bei niedrigen Schergeschwindigkeiten könnte das Casting der Gülle Schicht von 200 µm durch das Fehlen der Strömung um die Lücke unter den Rakel behindert werden. Wenn die dynamische Viskosität zu niedrig ist, kann die Aussetzung von selbst aus dem Behälter unter die Klinge oder Weg von der Folie Unterstützung durch natürliche Strömung (Schwerkraft) fließen. Für alle untersuchten Suspensionen sinkt die dynamische Viskosität mit eine zunehmende Scherrate. Die optimale Federung Fließverhalten ist gegeben durch Zusammensetzung 1 (Abbildung 2). Verschiedene Veränderungen in der Zusammensetzung der Gülle beeinflussen das rheologische Verhalten des Fahrwerks. Das optimale Fließverhalten mit eine niedrige dynamische Viskosität in den gewünschten Bereich wurde durch die Aussetzung erreicht compound 1. Eine Zunahme von Pulver Inhalt oder einen nicht optimalen Gehalt an Dispergiermittel (Verbindung 2) und eine Änderung des Bindemittel-Vernetzer Verhältnisses mit einer höheren Menge an multifunktionalen Vernetzer (Komposition 3) führte zu einer Erhöhung der dynamischen Viskosität nachteilig für den Prozess. Wenn die Pulveranteil niedriger ist, wird zusammen mit einem niedrigeren Gehalt an multifunktionalen Vernetzer und in Kombination mit einem nicht optimalen Gehalt an Dispergiermittel (Komposition 4), die dynamische Viskosität stark reduziert zu einer instabilen führen, Aufhängung.

Die Änderung in Speicher-Modul G´ die Schlämme auf Lichteinstrahlung kann helfen, erfahren Sie mehr über das heilende Verhalten der Suspensionen. Dies wird ergänzt durch experimentelle Tests auf die Tiefe an das Druckgerät selbst zu heilen. Das heilende Verhalten bei verschiedenen Polymerisationszeiten war eine Aluminiumoxid-Federung mit einer optimalen rheologische Verhalten geprägt. Vor der Aushärtung beginnt, das Fahrwerk zeigt ein niedriges Niveau der G´ und stellt Werte unter 100 Pa. Wenn beginnt zu heilen, kann eine Polymerisation der photoreaktiven organischer Stoffe durch eine Erhöhung des G´ auf eine höhere Ebene abgeleitet werden. Mit einer zunehmenden Aushärtezeit die Steigung der G´ steigt auf ein Maximum in einem Bereich von 105 bis 107 Pa, die abhängig von der Zusammensetzung. Aushärtezeit von 1 s führte zu eine endgültige G´ unter 106 Pa, was für eine minimale nötige Kraft nicht ausreicht. Mit einer zunehmenden Aushärtezeit wird mehr Energie (Photonen) an der Aufhängung geliefert, führt zu einer höheren G´ durch eine schnellere und höhere Grad der Umwandlung (höhere Neigung). Die optimale Aushärtezeit für die entwickelten Tonerde Suspension sollte in einem Bereich von 2 bis 3 s. Mit einer Aushärtezeit von 4 s, die letzte Stufe der G´ und die Härtung Neigung haben große Werte über 2 x 106 PA. Der Umbau ist fast abgeschlossen und fast keine noch nicht ausgehärteten Polymeren bestehen. Rlichem Gülle und eine übermäßige Verhärtung des Polymers, wodurch eine spröde Struktur, die sich nachteilig auf die Anlage des Produkts mit der Bauplattform hat kann weitere Energie-Versorgung führen.

Die Single-FGM Test Komponente ausgewählt für diese Handschrift ist eine Hemi-Kiefer Implantat-Struktur, die eine Dichte Außenschale und einen porösen Knochen wie zentralen Kern enthält, wie in Abbildung 5zu entnehmen. Dieses Modell könnte Additiv hergestellt und gesintert, fehlerfreie, wie durch die FESEM Bildgebung zu sehen. Feine Strukturen und Wandstärken (weniger als 0,1 mm) realisiert werden können und keine offensichtlichen Deformation während des Sinterns aufgetreten ist. Es wurde festgestellt, dass die Mikrostruktur der einzelnen Aluminiumoxid-Komponenten für die keramische Verarbeitung von Aluminiumoxid bei bestimmten Sintern Temperaturen mit einer homogenen Korngröße typisch ist. Die Porosität im Bereich Schüttgut ist sehr niedrig (< 1 %) und einer Dichte > 99 %, im Vergleich zu der theoretischen Dichte erreicht wurde.

Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Dieses Projekt wird finanziell von der Europäischen Union Horizont 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm unter Grant Agreement No 678503.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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Additive Manufacturing funktional abgestufte keramischer Werkstoffe durch Stereolithographie
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Gonzalez, P., Schwarzer, E., Scheithauer, U., Kooijmans, N., Moritz, T. Additive Manufacturing of Functionally Graded Ceramic Materials by Stereolithography. J. Vis. Exp. (143), e57943, doi:10.3791/57943 (2019).

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