Summary
Detta manuskript beskriver behandlingen av enda multifunktionell keramiska komponenter (t.ex., kombinationer av tät-porös strukturer) additivt tillverkade av stereolithography.
Abstract
En additiv tillverkning-teknik används för att erhålla funktionellt graderade keramiska delar. Denna teknik, som bygger på digital light processing/Stereolitografi, är utvecklat inom ramen för det europeiska forskningsprojektet CerAMfacturing. En tredimensionell (3-D) hemi-käk ben-liknande struktur är 3-D skrivs ut med anpassade aluminiumoxid polymera blandningar. De pulver och blandningar är fullt analyseras i termer av reologiska beteende för att säkerställa korrekt materialhantering under tryckprocessen. Möjlighet att skriva ut funktionellt graderade material med hjälp av den Admaflex tekniken förklaras i detta dokument. Fält-utsläpp skanning elektronmikroskopi (FESEM) visar att den sintrad aluminiumoxid keramiska delen har en porositet som är lägre än 1% och ingen återstoden av den ursprungliga skiktad strukturen hittas efter analys.
Introduction
Kick-komplex teknisk keramik är alltmer efterfrågade i nästan varje tillämpningsområde, inklusive många industriella områden. Området för mänsklig sjukvård finner fler och fler applikationer till följd av lättheten av individualisering av produkterna för varje patient. Under det senaste decenniet, har additiv tillverkning förbättrade alternativ för enskilda medicinska behandlingar.
Additiv tillverkning (AM) är en bearbetningsteknik som gör översättningen av en datorgenererad 3D-modell till en fysisk produkt av sekvenserade tillskottet av material. I allmänhet en serie 2D-lagren bildar en stapel som resulterar i en 3D-form, vilket gör att produktionen av komponenter med en, hittills, aldrig tidigare skådad frihet i design. Detta anses vara state-of-the-art forma teknik för polymerer och metaller. De första industriella teknikerna för keramisk bearbetning är tillgängliga1,2, och nästan alla kända AM teknik används för AM single-material keramik i laboratorier över hela världen3,4, 5. AM, särskilt Stereolitografi, började på 1980-talet och utvecklades av skrovet6. Olika tillverknings metoder och material leda till en mängd produktegenskaper, såsom storlek, ojämnheter eller mekaniska egenskaper. Alla additiv tillverkningsteknik kan delas in i två grupper: direkt additiv tillverkning teknik5, som bygger på selektiv nedfallet av material (t.ex., det material som sprutas processer som direkt Inkjet Eller termoplast 3D-utskrift [T3DP])7,8,9,10, och indirekt additiva tillverkningstekniker, som bygger på en selektiv konsolidering av materialet som deponeras på hela skiktet (t.ex., keramiska stereolithography [SLA]).
Komplexiteten och beredskap för nya tillämpningar kräver en förbättring av AM keramisk bearbetning teknik. Till exempel har särskilda innovativa industriella och medicinska tillämpningar att inkludera olika egenskaper i samma komponenten, vilket leder till funktionellt graderade material (FGMs). Dessa material inkluderar en mängd olika boenden om övergångar i mikrostrukturen eller den materiella11. Dessa övergångar kan vara diskreta eller kontinuerlig. Olika typer av FGMs är kända, såsom komponenter med materiella övertoningar eller graderad porositet, samt flerfärgade komponenter. Kvinnlig Könsstympning komponenter kan tillverkas genom enstaka konventionella forma teknik12,13,14,15,16,17 eller genom en kombination av dessa tekniker, exempelvis gjutning genom in-mould Labelling som en kombination av tape casting och injektion18,19.
För att kombinera fördelarna med AM med fördelarna med FGMs till keramik-baserade 4 D komponenter20 (tre dimensioner för geometri och en grad av frihet som rör den materiella rekvisitan på varje position), Admatec Europa har utvecklat en Stereolitografi-baserade 3D-utskriftsenhet inom det europeiska forskningsprojektet ”CerAMfacturing” för AM av multifunktionella eller multi-material komponenter.
Tekniken anpassas för kvinnlig Könsstympning komponenter är en Stereolitografi synsätt som sysselsätter en digital ljus processor (DLP) som ljuskälla som innehåller en digital micromirror device chip (DMD), används för att polymerisera en harts som kan blandas med olika pulver. DMD chip har en matris med flera hundra tusen mikroskopiska speglar, som motsvarar pixlar i bilden som ska visas. Speglarna kan roteras individuellt för att ställa in en avstängning på placering pixeln. Den vanligaste sysselsatta hartser är baserade på blandningar av akrylat eller uretan monomerer. I dessa blandningar hittade vi även andra tillsatser, såsom ljus-absorberande photoinitiator molekyler och färgämnen. Harts blandningen hälls vanligtvis i en behållare eller bad, även kallad moms. Polymerisation induceras genom en reaktion mellan en photoinitiator molekyl (PI), med de ljus fotoner som genereras av den DMD-chipet. Olika harts monomer strukturer kan resultera i olika polymerisation priser, krympning och slutliga struktur. Exempelvis påverkar användningen av monofunktionella monomerer vs. Polyfunktionella monomerer i tvärbindningen av det polymera nätverket.
En av de viktigaste parametrarna att beakta med keramiska SLA är ljus-scattering effekt produceras när ljuset (fotoner) korsar genom olika material. Det är mycket som påverkar; i det här fallet kombineras hartser med en mängd pulver att generera en suspension eller slurry. Slam, sedan, består av material som presenterar olika brytningsindex till ljuset. En stor skillnad mellan brytningsindex värdena av kådan och pulvret påverkar måttnoggrannhet lagren, polymerisation, och den totala ljusa dosen att utlösa polymerisation reaktionen. När ljuset kommer in fjädringen, gravering pulver partiklar (dvs, keramik, metall eller andra polymerer) ljusstrålen. Detta verkställer framkallar en förändring i den ursprungliga sökvägen till den (bestrålade) fotoner. Om fotonerna har en bana sneda exponering riktning, kan de generera en polymerisation reaktion på en plats som kan vara övergripande till den ursprungliga riktningen. Detta fenomen resulterar i överexponering när området i den härdade flytgödsel är större än det utsatta området. Likaså kommer det under-exponera, när det härdade flytgödsel lagret är mindre än det ursprungligen utsatta området.
Inom manuskript beskrivs forskningen för AM av aluminiumoxid komponenter att kombinera en tät och får struktur, realiserat by med den Admaflex tekniken. Som förklaras i det europeiska forskningsprojektet ”CerAMfacturing”, kräver produktionen av kvinnlig Könsstympning keramiska delar hög upplösning och bra ytegenskaper för att möta de krävande applikationerna. DLP stereolithographic teknik, som den som beskrivs här, gör det möjligt för forskare att erhålla sådan keramik-baserade, fullt fungerande komponenter.
Protocol
1. utveckling av Photocurable keramik suspensioner
- Urval av keramiska pulver
- Använd hög renhet Keramiska pulver (t.ex., aluminiumoxid pulver av 99,9% renhet eller högre).
- Välj pulver med (1) en smala partikelstorleksfördelning för fattiga viskositet, (2) en genomsnittlig partikelstorlek av < 0.5 µm för bra sinterability och (3) en specifik yta i närheten av 7 m2g för en låg viskositet.
- Specifikationen pulver
- Karakterisera de pulver som rör formen, ytan och partikelstorleksfördelning om det behövs (Tabell för material).
- Karakterisera de partikelform, exempelvis med hjälp av FESEM analyser. För att göra detta, ta (några milligram) pulver med en spatel och insättning tejpa den på ett kol torg med en storlek av ca 100 mm2. Metalize ensemblen före införandet i mikroskopet kammaren.
- Bedöma partikelstorleksfördelning av utnyttjad pulver med, exempelvis en laser diffraktion metod. Sätta (några milligram) av provet med en spatel i blandningskammaren av maskinen och deagglomerate det med hjälp av högfrekvent ultraljud vågor 5 x 5 min varje gång.
- Mäta specifika ytegenskaper av används pulver använder metoden Brunauer-Emmet-Teller (insats). Samla adsorptions isotermerna i flytande kväve. Degas proverna vid 150 ° C innan mätningarna.
- Urval av Polymera harts
- Väljer, exempelvis en monofunktionella bindemedel (1; se Tabell för material) tillsammans med en di(2)- och tetra (3)-funktionella crosslinker (se Tabell av material) och en photoinitiator (4; se Tabell för material) aktiv i våglängd av begagnade utskriftsenhetens lätt motor, i detta fall vid 405 nm.
- För en mer flexibel polymer nätverk, använder ett plasticizing vätska (5; Se Tabell för material).
- Beredning av keramiska suspensioner
- Om nödvändigt, deagglomerate aluminiumoxid pulver med ett flyktigt lösningsmedel, till exempel etanol absolut, tillsammans med en spridning agent (se Tabell av material) och aluminiumoxid fräsning bollar.
- Detta, blanda 80 wt.% pulver med 20 wt.% vätska tillsammans med samma absoluta mass-liknande pulver av mill bollar med 1-2 mm i diameter, och Lägg till spridning agent i ett utbud av 0,5 till 2,0 wt.% baserat på halten pulver.
- Mill blandningen för 2 h i en planetarisk bollen kvarn (se Tabell för material) för att deagglomerate pulvret för att uppnå den primära partikelstorleken.
- Efter fräsning, separera pulver massan från mill bollar med hjälp av en sil (med en maskstorlek på 500 µm) och torka suspensionen i ett dragskåp för 12 timmar vid rumstemperatur och därefter i spis torktumlare för 24 h vid 110 ° C.
- Mala torkade pulver genom en sil (100-500 µm) att få deagglomerated och functionalized pulvret.
Obs: På ytan av partiklarna är nu functionalized med den spridning agenten som behövs för en stabil och låg viskös suspension.
- Anpassa egenskaper för de utvecklade suspensioner, särskilt dynamisk viskositet, till utskriftsprocessen. Här, var fyra olika föreningar beredda och kännetecknas i termer av dynamisk viskositet och deras bota beteende. Fyra olika föreningar (I, II, III och IV) skapades genom att ändra kompositioner.
- I förening använder jag, ett 1,5 mellan den di - och tetra-funktionella bindemedel. Använd en kvot mellan den komplett crosslinker och monofunktionella bindemedlet på 1,2. Innehållet i photoinitiator var 1,3 wt.% till reaktiva harts och 30 wt.% av totalen innehållet i mjukgörare. Inom förening använder jag, ett pulver innehåll av 78 wt.%.
- I sammansatta II öka pulver innehållet till 82 wt.%.
- I sammansatta III, öka mängden av tetra-funktionella crosslinker genom att ändra förhållandet mellan det di - och tetra-funktionella bindemedel till 1,8.
- I förening IV, minska halten pulver till 75 wt.% och ändra förhållandet mellan crosslinker till monofunktionella binder till 1.0.
- Blanda de olika organiska och fotoreaktiv komponenter baserat på de föreningar I till IV beskrivs i avsnitt 1.4.2. Införa komponenterna i en burk med en höghastighets planetariska bollen kvarn (se Tabell av material) och homogenisera blandningen för 4 min med en hastighet på 1 000 rpm. En mjukgörare kan dessutom läggas till få en högre flexibilitet av polymeren efter härdning.
- Om nödvändigt, deagglomerate aluminiumoxid pulver med ett flyktigt lösningsmedel, till exempel etanol absolut, tillsammans med en spridning agent (se Tabell av material) och aluminiumoxid fräsning bollar.
- Lägga till pulver i polymer blandningen
- Homogenisera blandningen på tre nivåer: för 4 min vid 1000 rpm, för 45 s på 1500 rpm och 30 s vid 2.000 rpm.
Obs: Vid en ökad temperatur, kyla ner burken med vatten. Om nödvändigt, upprepa blandning en andra gång. - Karakterisering av suspensionen
- Karakterisera de reologiska beteenden, särskilt dynamisk viskositet som ett karakteristiskt värde för beteendet flöde. Mätning set-up bör baseras på de utskrift processparametrarna, speciellt gjutning hastighet.
- Använda en reometer med en kon/platta mätsystem (25 mm i diameter), justerbar mellan-25 ° C till 200 ° C (se Tabell för material).
- Sätt ett prov (ca 1 mL) av upphängning på tallriken och följ instruktionerna mätning av reometer för en roterande mätning.
- Analysera den dynamiska viskositeten genom att öka andelen skjuvning av 0,01 till 1000 s-1 vid en konstant temperatur av 20 ° C och mäta vridmomentet.
Obs: Under processen, fjädringen är gjuten med en hastighet av 40 mm/s. Därför är skjuvning cirka 200 s-1, lägre för förflyttning av komponenten tryckta och fast på plattformen för byggnad, inom bestruket suspensionen. Följaktligen definieras på uppbyggnaden av reologiska mätning. - Kontrollera att suspensionen visar en skjuvning gallring beteende med en dynamisk viskositet under 600 Pa·s för skjuvning 0,1 s-1 och under 10 Pa·s för skjuvning priser 10 till 300 s-1.
- Karakterisera bota beteendet hos de utveckla suspensioner. Analysera beteendet bota genom oscillerande mätningar före, under och efter exponering med ljus (med en våglängd på 300 till 500 nm).
- Använda en reometer (se Tabell för material), t.ex., justerbar mellan-25 ° C till 200 ° C, med en platta / (glas) plattan mätsystem (25 mm i diameter) med en lucka på 50 µm, i kombination med en blå LED-ljuskälla (med en våglängd av 405 nm).
- Fixa LED nedanför (glas) plattan och justera intensiteten överensstämmer med utskrift intensiteten (ungefär 33 mW/cm2) med en fotometer.
- Sätta en suspension prov av ungefär 1 mL på plattan (glas) och flytta plattan av mätsystemet till mätning position med ett mellanrum på 50 µm.
- Mäta lagring modulus G´ — en del av den komplexa skjuvning elasticitetsmodulen G * — med hjälp av en konstant deformation-amplitud (t.ex., 0,1% [0,09 °]) med en frekvens av 10 rad/s.
- Före exponering, mäta G´ i 10 s intervall för 60 s. Detta utgör ett första platå av G´ för flytande upphängning.
- När klar, starta exponeringen efter 60 s med hjälp av den blå lysdioden (se tabellen för material) för en angiven varaktighet (t.ex., 1-4 s). Mått G´ under och efter exponeringen. G´ ökar på grund av exponeringen, som anger de polymerisation processen. Beroende på exponering tid och suspension egenskaper, kommer att G´ öka till en andra platå under polymerisationen.
- Karakterisera de reologiska beteenden, särskilt dynamisk viskositet som ett karakteristiskt värde för beteendet flöde. Mätning set-up bör baseras på de utskrift processparametrarna, speciellt gjutning hastighet.
2. tillverkning av Single-graderade och kvinnlig Könsstympning komponenter av keramiska SLA
- Använda en keramisk DLP-SLA-utskriftsenhet. Se diskussion för apparater beskrivning.
- Undersöka djupet av härdning. Detta steg är nödvändigt att fastställa bota funktionerna i slammet (dvs, genomträngningsdjupet av ljuset och den efterföljande polymerisation processen). För detta:
- Applicera ungefär 1 mL av keramik-fyllda harts slam (bereddes i steg 1.4) på en bit genomskinlig folie (se diskussion) med hjälp av en spatel. Använd en spatel av polymer som har en hög kemisk beständighet (t.ex., en nylon-glas fiber spatel).
- Placera folien med suspensionen flush på en tryckplåt som glas.
- Projekt, med DLP-SLA utskriftsenheten, en lätt maskerade test exponering för ett fast antal sekunder i en rad 0,5 till 4 s.
- Ta bort överflödigt ohärdat suspensionen.
- Mät lagrets botas med hjälp av en mikrometer. Den härdade tjockleken måste vara minst densamma som av de valda bygga lager, även om det rekommenderas att nå flera gånger tjockleken på lagret för att ge tillräckligt ljus penetration.
- Upprepa steg 2.1.1.1. till 2.1.1.5 tills önskad botade är tjocklek nått.
- Undersöka djupet av härdning. Detta steg är nödvändigt att fastställa bota funktionerna i slammet (dvs, genomträngningsdjupet av ljuset och den efterföljande polymerisation processen). För detta:
- Tillverka de funktionellt graderade väsentliga delarna enligt följande.
- Generera en 3D-modell av önskad del använda CAD-program.
- Skiva den 3D-filen till lager krävs tjocklek med hjälp av en skivning programvara. Typiska skikttjocklek i utskrift system varierar från 25 till 100 µm. Spara filen skivad i *.slc format.
- Överföra *.slc filen till den enhet via USB- eller nätverksanslutning.
- Skapa en utskrift program och justera utskrift parametrar (t.ex., härdningstid per lager och transport hastighet [gjutning hastighet] och byggnaden plattform hastigheter).
- Fyll behållaren för utskriftsenheten till halva sin kapacitet med keramiskt slam (cirka 200 g).
- Transportera slammet för att fylla pumpsystemet tills suspensionen börjar pumpas tillbaka in i reservoaren. Kontrollera att genererade flytgödsel lagret är flera gånger tjockare som lagrartjockleken riktade fil segment.
- Bifoga en utskrift metallplatta till byggnaden plattformen använder vakuum från vakuumpumpen integreras i utskriftsenheten.
- Starta utskrift programmet.
Obs: Utskriftsenheten automatiskt transporterar slam lagret. Fylla reservoaren flytgödsel under utskrift vid behov. - När programmet utskrift är klar, ta bort utskriften metallplattan med produkten. Stäng vakuumpumpen och håll plattan på samma gång.
- Ren den återstående flytgödsel som bifogas produkten ytan med mild organiska lösningsmedel (t.ex., isopropanol). Ett tunt lager av slam kan förbli vidhäftat till ytan på delarna, accentueras med produkter med en stor yta.
- Torka de sköljda produkterna vid rumstemperatur under ett dragskåp.
3. Co-avdrivning och samtidig sintring av Single-graderade och kvinnlig Könsstympning komponenter
- Debind gröna proven som beskrivs i följande steg.
- Först ut proverna på en speciell ugn möbler som var sintrad vid en temperatur på minst 50 ° C högre än den slutliga sintring temperaturen utskrivna komponenter. Genom att göra detta, är överföra avdrivna komponenterna till en annan ugn möbler inte nödvändigt.
- Utför ett debinding program med en låg värme i en ugn (se Tabell för material) under luft atmosfär upp till 600 ° C (t.ex., med en värme på 7.5 ° C/h). Använda en uppehållstid på 200 ° C, 400 ° C och 600 ° C 10 h. öka andelen värme vid 600 ° C till 60 ° C/h upp till 900 ° C och Använd en dwell 2 h. svalka dig med en hastighet av 3-5 ° C/min.
Obs: Denna cykel bygger på tidigare karakterisering av TGA-DSC; dock kommer att en annan uppsättning polymer harts sammansättning kräva en uppdaterad debinding program. Detta är ett avgörande steg i keramiska tillverkning och bör inte ignoreras.
Obs: Alla organiskt bindemedel material, i detta skede, termiskt avlägsnas, medan i samma steg en presintering av aluminiumoxid partiklarna initieras för att på ett säkert sätt aktivera efterföljande överföring av prover till en sintring ugn. - Överföra proverna med transportören plattan till en sintring ugn (se Tabell för material).
- Sintra proverna under luft atmosfär vid 1 600 ° C i 2 h i ugnen. Använda en värme hastighet av 3 ° C/min upp till 900 ° C, följt av 1 ° C/min upp till den slutliga temperaturen 1 600 ° c.
Obs: Den förväntade linjär krympningen av komponenterna är ca 20-25% i x, y-riktningen och 25% - 30% i z-riktningen.
4. karakterisering av Single-graderade och funktionellt graderade komponenter
- Skär proverna med en diamant såg och polera ytan med ceramographic metoder.
- Undersöka mikrostrukturen med hjälp av FESEM (se Tabell för material).
Obs: Inspektera visuellt porositeten av två funktionellt graderade faser och på gränsen gränssnittet för de använda materialen. För att få ett mer detaljerade resultat, utföra en interface-analys. Om porositeten är för hög, optimera suspension sammansättning (avsnitt 1), utskriftsparametrarna (avsnitt 2.2) och/eller termisk behandling (avsnitt 3). Den rikta porositeten är under 1%.
- Undersöka mikrostrukturen med hjälp av FESEM (se Tabell för material).
Representative Results
För produktion av singel-material komponenter och, så småningom, funktionellt har graderade strukturer med hjälp av en kombination av tät och porösa sektioner i en makroskopisk räckvidd, endast suspensioner baserat på aluminiumoxid använts.
Mätresultatet med den genomsnittliga partikeldiameter (D50) används aluminiumoxid pulver efter spridning var 0.47 µm. Detta resultat korrelerar med den givna informationen av en faktisk partikelstorlek av 0,45 till 0,5 µm från leverantören. Figur 1A visar FESEM analys av aluminiumoxid pulver före beredning och figur 1B en FESEM bild av granulat yta i detalj. Figur 1 c och 1 d figur visar samma sak för den deagglomerated aluminiumoxid i torkat tillstånd. De obehandlade pulver finns inte som enda primära partiklar, men som stora sfäriska granulat (med en diameter upp till 100 µm), vilket är ett typiskt villkor för torr att trycka på råvaror. FESEM bilderna av granulat ytor visar de primära partiklarna av aluminiumoxid obehandlad (figur 1B) och deagglomerated (figur 1 d) med en faktisk partikelstorlek av cirka 0,45 µm.
Figur 2 visar dynamiska viskositeten hos de utvecklade suspensioner baserat på aluminiumoxid pulver som en funktion av den skeva — logaritmisk presentation – och beroende på olika sammansättningar om varierad pulver innehåll, binder-crosslinker förhållandet, och innehållet i den spridning agenten. Alla suspension kompositioner visar en skjuvning gallring beteende, men olika nivåer av dynamisk viskositet.
Suspension homogenitet visas i figur 3 med en FESEM bild av en tunn skiva av keramik-polymera harts. De keramiska primära partiklarna visas tydligt medan den polymera harts är till viss del inte upptäcks av elektron detektorn.
Mätning av lagring modulus G´ som en funktion av tiden att karakterisera bota beteendet som beroende på tid visas i figur 4. Justerbar parametern för utskriftsenheten hjälper till att utvärdera härdningstiden under utskrift. Generellt suspensionen visar en konstant nivå på G´ nedan 1000 Pa för en stadig deformation. Under exponeringen av suspensioner, som börjar efter 60 s, G´ ökar beroende på exponeringstiden — omväxlande i en rad 1 till 20 s — till en högre nivå av G´, över 105 Pa. I diagrammet representerar kurvorna olika exponeringstider av en suspension till visar påverkan på styrkan i den härdade polymer-keramik-kompositen.
Den keramiska SLA skrivarutrustning, med den Admaflex tekniken, klarar hög viskositet keramiskt slam tack vare transportsystemet. Kvinnlig Könsstympning delar kan uppfattas av en pixel-till-pixel-kontroll som riktar bestrålade ljuset för varje avsnitt i nätverket. De under- och överexponering effekter kan kompenseras genom funktionen samma pixel-till-pixel kontroll. Dessutom kan detta kompletteras med en utvecklad mjukvara Svit att identifiera de olika avsnitten — porösa och täta — för att kompensera ljus beteende skillnaderna per exponerade området. Denna egenutvecklade teknik ger anpassad ljus-härdning strategier till sådana sektioner.
Med hjälp av en suspension med dynamisk viskositet beteendet som presenteras i sammansättning 1 (figur 2), single-komponent FGMs med 3D-strukturer tillverkades efter empirisk bestämning av enhetsparametrarna. Figur 5A visar en komplex 3D-modell och figur 5B visar strukturen sintrad test baserat på aluminiumoxid upphängningarna additivt tillverkade inom forskningsprogrammet.
Figur 6 visar FESEM bilder av mikrostrukturen i en singel-material kvinnlig Könsstympning komponent inom den tät delen; porositeten är en makroskopisk räckvidd.
Figur 1: FESEM bilder. De första två panelerna visar fältet-utsläpp svepelektronmikroskop bilder av (A) den ursprungliga aluminiumoxid pulver och (B) yta detaljer. De nästa två panelerna visar fältet-utsläpp skanning mikroskopbilder av (C) de pulverpartiklarna efter deagglomeration och (D) ytbehandlar detalj. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: dynamisk viskositet som en funktion av den skeva olika utvecklade suspensioner som beroende på sammansättning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: fält-utsläpp svepelektronmikroskop bild av en keramik-harts-suspension. Figuren visar pulver suspension homogenitet på polymera kådan.
Figur 4: Lagring modulus G´ som en funktion av tiden för flera suspensioner med olika sammansättningar.
Figur 5: 3-D modellering och utskrift. (A) denna panel visar en 3D modell av en singel-material funktionellt graderade keramisk materialkomponent. (B) denna panel visar sintrad resultatet av utskriftsprocessen.
Figur 6: fält-utsläpp scanning elektronmikroskop bilder av en sintrad aluminiumoxid struktur. (A) denna panel visar en översikt. (B) denna panel visar en detaljerad bild. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
För medicinska implantat måste råvaran vara av hög renhet, helst av 99,9% och högre. I detta projekt används ett icke-kommersiellt aluminiumoxid pulver med en smala partikelstorleksfördelning, en genomsnittliga partikel storlek < 0,5 µm och en specifik yta av ca 7 m2g. Alternativt, det är också möjligt att använda kommersiella material kompositioner.
För att uppnå de lämpligaste hantering villkor för dessa särskilt keramik-polymer-slam, Använd den ovannämnda trycktekniken. Denna teknik är utrustad med ett transportsystem för folie som bär slam från en reservoar till utskriftsområdet. Det utskrivna området består av en genomskinlig glasyta längst ner, under vilka det finns en ljuskälla som projekt skivad lagren. På toppen av det utskrivna området finns det en byggnad-plattform som kan flytta vertikalt upp och ner tack vare en z-bild. Produkten, sedan, hänger sig på ytan av metall tryckplåten som kan kopplas genom dammsugning ovanför utskriftsområdet. Oanvända slam samlas sedan av en torkare, reparerad, och pumpas tillbaka till ursprungliga behållaren, vilket skapar en sluten krets som tillåter forskare att återanvända slammet som inte var förbrukas för byggandet av 3D-modellen. Olika parametrar kan ändras för att anpassa processen till olika flytgödsel kompositioner och keramiska fyllmedel. Skrivaren måste placeras i ett rum med kontrollerade ljus, temperatur och fuktighet inställningar. Rummet måste vara utrustat med ett UV-filter för utanför ljuset; Dessutom är det rekommenderat att ha en temperatur på runt 20-24 ° C och en relativ fuktighet under 40%. Av FESEM imaging visar en uppenbar större genomsnittlig partikelstorlek av aluminiumoxid pulver efter deagglomeration, jämfört med de teoretiska 0,45 µm aluminiumoxid Materialanalyser av leverantören. Detta kan förklaras i termer av gytter. Under torkning, efter steget deagglomeration partiklarna åter fällningen klumpar, som kan ses i figur 1 d. Under suspension preparatet, kan åter agglomererad partiklarna vara spridda tack vare steget ytan funktionalisering. En mindre uppenbar partikelstorlek kan ses i FESEM avbildning av slammet i figur 3.
När det gäller de reologiska beteenden, bör en idealisk flytgödsel för keramiska SLA-teknik (t.ex., Admaflex teknik) ha en skjuvning gallring beteende (dvsminskande dynamisk viskositet högre skjuvning). För en optimal rösterna på stödjande folie eller användning inom en fördelarenheten, bör dynamisk viskositet hållas på ett idealiskt intervall och billigt låg skjuvning. Vid för hög dynamisk viskositet vid låga skjuvning priser, kan gjutning av en slurry lager av 200 µm hämmas av bristen på flöde att fylla tomrummet under bladet läkare. Om den dynamiska viskositeten det är för låg, kan suspensionen rinna av sig själv från reservoaren under bladet eller bort från stöd folien på grund av naturliga flöde (gravitation). För alla undersökta suspensioner minskar dynamiska viskositeten med en takt skjuvning. Den optimala upphängninguppförande flöde ges av sammansättning 1 (figur 2). Olika förändringar i flytgödsel sammansättning påverkar de reologiska beteenden av suspensionen. Optimalt flöde beteendet med en låg dynamisk viskositet i intervallet krävs uppnåddes genom suspension compound 1. En ökning av halten pulver eller en icke-optimala innehållet i den spridning agenten (sammansatta 2) och en ändring av förhållandet binder-crosslinker med en högre mängd multifunktionella crosslinker (sammansättning 3) ledde till en ökning av dynamisk viskositet, ofördelaktigt för processen. Om halten pulver är lägre, tillsammans med ett lägre innehåll av multifunktionella crosslinker och i kombination med en icke-optimala innehållet i den spridning agenten (komposition 4), reduceras dynamisk viskositet starkt, möjligen kan leda till en instabil suspension.
Förändringen i lagring modulus G´ av slam vid ljus bestrålning kan bidra till att lära dig mer om upphängningarna bota beteende. Detta kompletteras av experimentella tester på djupet av härdning vid utskriftsenheten själv. Bota beteende på olika torktider präglades en aluminiumoxid fjädringen med en optimal reologiska beteende. Före härdning startar, suspensionen visar en låg nivå av G´ och presenterar värdena under 100 Pa. När härdning börjar, kan en polymerisation av den fotoreaktiv organics utläsas av en ökning av G´ till en högre nivå. Med en ökande härdningstiden, slutta av G´ ökar i en rad högst 105 7 Pa som beror på sammansättningen. En härdningstiden 1 s ledde till en slutlig G´ under 106 Pa, vilket inte räcker för en minsta nödvändiga styrkan. Med en ökande härdningstiden levereras mer energi (fotoner) till fjädringen, vilket leder till en högre G´ till följd av en snabbare och högre grad av konvertering (högre lutning). Optimal härdningstiden för utvecklade aluminiumoxid suspensionen ska vara i en rad 2 till 3 s. Med en härdningstiden 4 s, den slutliga nivån av G´ och bota lutningen har stora värden, över 2 x 106 Pa. Konverteringen är nästan klar och nästan inget ohärdat polymerer finns. Ytterligare energiförsörjning kan resultera i overcuring slam och en överdriven härdning av polymeren, vilket resulterar i en spröd struktur som har en negativ effekt om kvarstad på produkten med byggnaden plattformen.
Komponenten singel-FGM test valt för detta manuskript är en hemi-käk implantatet struktur som innehåller en tät yttre skal och en poröst ben-liknande central kärna, som kan ses i figur 5. Denna modell kunde vara additivt tillverkade och sintrad felfri, som ses av FESEM bildtagning. Fina strukturer och väggtjocklekar (mindre än 0.1 mm) kan realiseras och ingen uppenbar deformering under sintring inträffade. Det konstaterades att mikrostrukturen i de enda aluminiumoxid komponenterna är typisk för keramisk bearbetning av aluminiumoxid vid given sintring temperaturer, med en homogen kornstorlek. Porositeten i områdena bulk är mycket låg (< 1%) och en densitet > 99%, jämfört med det teoretiska densitet, uppnåddes.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Detta projekt har beviljats medel från EU: s Horizon 2020 forsknings- och innovationsprogrammet under Grant avtal nr 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 |
References
- Scheithauer, U., et al. Micro-reactors made by Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM). Ceramic Transactions. 258, (2016).
- Scheithauer, U., Schwarzer, E., Moritz, T., Michaelis, A. Additive Manufacturing of Ceramic Heat Exchanger: Opportunities and Limits of the Lithography-Based Ceramic Manufacturing (LCM). Journal of Materials Engineering and Performance. 27 (1), 14-20 (2018).
- Homa, J. Rapid Prototyping of high-performance ceramics opens new opportunities for the CIM industry. Powder Injection Molding International. 6 (3), 65-68 (2012).
- Chartier, T., Badev, A. Rapid Prototyping of Ceramics. Handbook of Advanced Ceramics. Somiya, S. , Academic Press. Oxford, UK. 489-524 (2013).
- Travitzky, N., et al. Additive Manufacturing of ceramic-based materials. Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).
- Hull, C. W. Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. , US4575330A (1986).
- Wätjen, A. M., Gingter, P., Kramer, M., Telle, R. Novel Prospects and Possibilities in Additive Manufacturing of Ceramics by means of Direct Inkjet Printing. Advances in Mechanical Engineering. 6, (2015).
- Scheithauer, U., Schwarzer, E., Richter, H. J., Moritz, T. Thermoplastic 3-D Printing - An Additive Manufacturing Method for Producing Dense Ceramics. Journal of Applied and Computational Topology. 12 (1), 26-31 (2014).
- Scheithauer, U., et al. Ceramic-Based 4D Components: Additive Manufacturing (AM) of Ceramic-Based Functionally Graded Materials (FGM) by Thermoplastic 3-D Printing (T3DP). Materials. 10 (12), Basel. E1368 (2017).
- Weingarten, S., et al. Multi-material ceramic-based components - Additive Manufacturing of black-and-white zirconia components by Thermoplastic 3D-Printing. Journal of Visualized Experiments. , e57538 (2018).
- Zocca, A., Colombo, P., Gomes, C. M., Günster, J. Additive Manufacturing of Ceramics: Issues, Potentialities, and Opportunities. Journal of the American Ceramic Society. 98 (7), 1983-2001 (2015).
- Kieback, B., Neubrand, A., Riedel, H. Processing techniques for functionally graded materials. Materials Science and Engineering - A. 362 (1-2), 81-106 (2003).
- Mortensen, A., Suresh, S. Functionally graded metals and metal-ceramic composites: Part 1 Processing. International Materials Reviews. 40 (6), 239-265 (1995).
- Moya, J. S., Sánchez-Herencia, A. J., Requena, J., Moreno, R. Functionally gradient ceramics by sequential slip casting. Materials Letters. 14 (5), 333-335 (1992).
- Moya, J. S., Sánchez-Herencia, J. A., Bartolomé, J. F., Tanimoto, T. Elastic modulus in rigid Al2O3/ZrO2 ceramic laminates. Scripta Materialia. 37 (7), 1095-1103 (1997).
- Zschippang, E., Mannschatz, A., Klemm, H., Moritz, T., Martin, H. -P. Charakterisierung und Verarbeitung von Si3N4-SiC-MoSi2-Kompositen für Heizleiteranwendungen. Keramische Zeitschrift. 05, 294-297 (2013).
- Scheithauer, U., Haderk, K., Richter, H. -J., Petasch, U., Michaelis, A. Influence of the kind and amount of pore forming agents on the thermal shock behaviour of carbon-free refractory components produced by multilayer technology. Refractories Worldforum. 4 (1), 130-136 (2011).
- Scheithauer, U., et al. Functionally Graded Materials Made by Water-Based Multilayer Technology. Refractories Worldforum. 8 (2), 95-101 (2016).
- Mannschatz, A., et al. Manufacturing of Two-colored Co-sintered Zirconia Components by Inmold-labelling and 2C-Injection Molding, cfi/Ber. Delta Kappa Gamma. 91 (8), E1-E5 (2014).
- Scheithauer, U., et al. Ceramic-Based 4D Components: Additive Manufacturing (AM) of Ceramic-Based Functionally Graded Materials (FGM) by Thermoplastic 3-D Printing (T3DP). Materials. 10 (12), 1368 (2017).
- Moritz, T., et al. Material- and process hybridization for multifunctional ceramic and glass components. Ceramic Applications. 5 (2), 66-71 (2017).
