Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

التصنيع المضافة من مواد خزفية وظيفيا متدرج المجسمة

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

ويصف هذه المخطوطة تجهيز واحد مكونات السيراميك متعددة الوظائف (مثلاً، مجموعات من هياكل كثيفة المسامية) ثنائيو تصنعها المجسمة.

Abstract

يتم تطبيق تكنولوجيا تصنيع مضافة الحصول على قطع السيراميك متدرج وظيفيا. تم تطوير هذه التكنولوجيا، استناداً إلى معالجة الضوء الرقمية/المجسمة، داخل نطاق المشروع الأوروبي لبحوث سيرامفاكتورينج. هو بنية العظام تشبه هيمي إس ثلاثية الأبعاد (ثلاثي الأبعاد) ثلاثية الأبعاد المطبوعة باستخدام الخلائط البوليمرية أكسيد الألومنيوم مخصص. مساحيق ومخاليط يتم تحليل تماما من حيث السلوك انسيابية لضمان معالجة أثناء عملية الطباعة المواد المناسبة. إمكانية طباعة وظيفيا تصنيف المواد باستخدام أدمافليكس التكنولوجيا هو موضح في هذا المستند. المجهر الإلكتروني المسح الميداني-الانبعاثات (فسيم) تظهر أن الجزء السيراميك أكسيد الألومنيوم متكلس مسامية أقل من 1% وهو العثور على لا ما تبقى من هيكل الطبقات الأصلية بعد التحليل.

Introduction

السيراميك التقني السامي-مجمع يتزايد الطلب عليها في كل مجال تقريبا من التطبيق، بما في ذلك العديد من المناطق الصناعية. ميدان الرعاية الصحية البشرية يجد تطبيقات أكثر وأكثر نتيجة للسهولة تفريد المنتجات لكل مريض. وفي العقد الماضي، عزز التصنيع المضافة خيارات العلاجات الطبية الفردية.

المضافة التحويلية (ص) هي تكنولوجيا تجهيز التي تسمح بترجمة نموذج ثلاثي الأبعاد المولدة بواسطة الحاسوب إلى منتج مادي بإضافة مواد متسلسلة. وبصفة عامة، تشكل سلسلة من الطبقات 2-د كدسة أن النتائج في شكل ثلاثي الأبعاد، مما يتيح إنتاج المكونات مع حرية تصميم أ، حتى الآن، لم يسبق لها مثيل. وهذا يعتبر من أحدث تكنولوجيا تشكيل المعادن والبوليمرات. التكنولوجيات الصناعية الأولى لتجهيز السيراميك متوفرة1،2، وتستخدم ما يقرب من جميع التكنولوجيات المعروفة صباحا للساعة واحدة-مواد السيراميك في المختبرات في جميع أنحاء العالم3،4، 5. صباحا، ولا سيما المجسمة، بدأت في الثمانينات وقد وضعته هال6. تصنيع مختلف النهوج والمواد يؤدي إلى مجموعة متنوعة من خصائص المنتج، مثل الحجم، وخشونة أو الخصائص الميكانيكية. ويمكن تصنيف جميع تقنيات تصنيع المواد المضافة إلى مجموعتين: المباشرة المضافة التحويلية5من التكنولوجيات، التي تستند إلى ترسب انتقائية من المواد (مثلاً، المواد النفث العمليات مثل "نفث الحبر مباشرة" الطباعة أو الطباعة الحرارية ثلاثية الأبعاد [T3DP])7،،من89،10، وتكنولوجيات التصنيع المضافة غير المباشرة، التي تقوم على توطيد الانتقائي للمواد التي تودع على طبقة كاملة (مثلاً، المجسمة السيراميك [جيش]).

تعقيد واستعداد لتطبيقات جديدة تتطلب تحسين تكنولوجيات التجهيز السيراميك صباحا. على سبيل المثال، التطبيقات الصناعية أو الطبية المبتكرة الخاصة يجب أن تتضمن خصائص مختلفة داخل العنصر نفسه، الأمر الذي يؤدي إلى "مواد تصنيف وظيفيا" (فجمس). وتشمل هذه المواد مجموعة من الخصائص المتعلقة بالتحولات في بنية دقيقة أو في المواد11. يمكن أن تكون هذه التحولات متقطعة أو مستمرة. أنواع مختلفة من فجمس هي المكونات المعروفة، مثل المكونات مع التدرجات المادية أو مسامية متدرجة، فضلا عن متعددة الألوان. يمكن تصنيعها المكونات ختان الإناث بمفرده التقليدية تشكيل التكنولوجيات12،13،14،15،،من1617 أو بالجمع بين هذه التكنولوجيات، على سبيل المثال، بوضع العلامات بالعفن كمزيج من الشريط صب وحقن صب18،19.

للجمع بين مزايا صباحا مع مزايا فجمس للمكونات المستندة إلى السيراميك 4-د20 (الأبعاد الثلاثة للهندسة ودرجة واحدة من الحرية فيما يتعلق بالخصائص المادية في كل موضع)، وضعت أوروبا أدماتيك المستندة إلى المجسمة ثلاثي الأبعاد جهاز الطباعة في إطار المشروع الأوروبي لأبحاث "سيرامفاكتورينج" صباحا مكونات متعددة الوظائف أو مادية متعددة.

التكنولوجيا تكييفها لمكونات ختان الإناث هو اتباع نهج قائم على المجسمة التي تستخدم معالج خفيفة رقمية (DLP) كمصدر الضوء تحتوي على شريحة جهاز الميكروميرور رقمية (DMD)، يستخدم بلمرة من راتنج التي يمكن أن تكون مختلطة مع مساحيق مختلفة. وقد رقاقة DMD صفيف من مائة ألف عدة مرايا المجهرية، التي تقابل بكسل في الصورة ليتم عرضها. يمكن تدويرها المرايا فردياً لتعيين موضع على الخروج بكسل. وتستند راتنجات العاملين الأكثر شيوعاً مخاليط مونومرات acrylate و/أو يوريتان. في هذه المزائج، وجدنا أيضا غيرها من المواد المضافة، مثل امتصاص الضوء جزيئات فوتوينيتياتور والأصباغ. خليط راتنج يسكب عادة في حاوية أو حمام، وتسمى أيضا ضريبة القيمة المضافة. هو فعل البلمرة رد فعل من جزيء فوتوينيتياتور (PI)، مع الفوتونات الخفيفة التي تم إنشاؤها بواسطة رقاقة DMD. قد يؤدي هياكل مونومر الراتنج المختلفة بمعدلات مختلفة البلمرة وانكماش الهيكل النهائي. على سبيل المثال، استخدام المركبات الكيماوية مونوفونكشونال مقابل مونومرات بوليفونكشونال له تأثير في العابرة للربط الشبكة البوليمرية.

إحدى المعلمات الأكثر أهمية أن تأخذ في الاعتبار مع جيش تحرير السودان السيراميك هو تأثير تشتت الضوء ينتج عندما يخترق الضوء (الفوتونات) من خلال المواد المختلفة. هذا هو التأثير عالية؛ في هذه الحالة، يتم الجمع بين الراتنجات مع كمية من مسحوق لإنشاء تعليق أو الطين. ثم، الطين يتكون من المواد التي تقدم من الانكسار مختلفة للضوء. فرق كبير بين قيم معامل الانكسار من الراتنج والمسحوق يؤثر على دقة الأبعاد للطبقات، ومعدلات البلمرة، ومجموع الجرعة الخفيفة لإحداث تفاعل البلمرة. عندما يدخل الضوء التعليق، ديفراكت الجزيئات مسحوق (أي، السيراميك، المعادن، أو البوليمرات الأخرى) في مسار الضوء. هذا التأثير الحث على إجراء تغيير في المسار الأصلي للفوتونات (المشع). إذا الفوتونات لها مسار منحرف إلى اتجاه التعرض، أنها قد تنشئ رد فعل بلمرة في مكان الذي يمكن أن تكون مستعرضة إلى الاتجاه الأصلي. ونتائج هذه الظاهرة في التعرض المفرط عندما مجال الملاط شُفي أكبر من المنطقة المعرضة. وبالمثل، سوف تعرض الأطفال دون سن الخامسة، عند طبقة الملاط شُفي أصغر من المنطقة المعرضة أصلاً.

داخل المخطوطة، يرد وصف للبحث عن صباحا من مكونات الألومينا الجمع بين كثيفة وهيكل ماكروبوروس، تتحقق باستخدام تكنولوجيا أدمافليكس،. كما هو موضح في مشروع البحوث الأوروبية "سيرامفاكتورينج"، يتطلب إنتاج قطع السيراميك ختان الإناث بدقة عالية وخصائص سطح جيدة لتلبية الطلبات الملحة. دلب ستيريوليثوجرافيك التكنولوجيات، مثل تلك الموضحة هنا، يسمح للباحثين للحصول على هذه المكونات المستندة إلى الخزف، وتعمل بكامل طاقتها.

Protocol

1-وضع المعلقات السيراميك فوتوكورابل

  1. اختيار مساحيق الخزف
    1. استخدام المساحيق السيراميك عالية النقاء (مثلاً، مسحوق أكسيد الألومنيوم نقاء 99.9% أو أعلى).
    2. اختر مساحيق مع (1) توزيع حجم جسيمات ضيق للزوجة الفقيرة وحجم جسيمات يعني (2) < 0.5 ميكرومتر لحسن سينتيرابيليتي (3) على سطح معين محيط 7 م2/g للزوجته منخفضة.
  2. مواصفات مسحوق
    1. تميز مساحيق المتعلقة بالشكل والمساحة السطحية، وتوزيع حجم الجسيمات إذا لزم الأمر (جدول المواد).
    2. تميز الشكل الجسيمات باستخدام، على سبيل المثال، تحليلات فسيم. وللقيام بذلك، تتخذ (قليلة ملليغرام) من مسحوق مع البسط وإيداع على الكربون الشريط ساحة مع حوالي 100 مم2بحجم منطقة. ميتاليزي الفرقة قبل الأخذ في قاعة المجهر.
    3. تقييم توزيع حجم الجسيمات من المساحيق المستخدمة مع، على سبيل المثال، طريقة حيود ليزر. وضع (قليلة ملليغرام) من العينة مع ملعقة في قاعة خلط للجهاز وديجلوميراتي عالية التردد باستخدام الموجات فوق الصوتية موجات x 5 لمدة 5 دقائق في كل مرة.
    4. قياس الخصائص السطحية محددة من المساحيق المستخدمة باستخدام نهج بروناوير-إيميت-الصراف (الرهان). جمع إيسوثيرمس الامتزاز/الامتزاز في نيتروجين سائل. ديغا العينات عند 150 درجة مئوية قبل القياسات.
  3. اختيار البوليمر الراتنج
    1. اختر binder مونوفونكشونال، على سبيل المثال، (1؛ انظر الجدول للمواد) جنبا إلى جنب مع di(2)-وتترا (3)-crosslinker الوظيفية (انظر الجدول للمواد) ومن فوتوينيتياتور (4) (انظر الجدول للمواد) نشطة في الطول الموجي محرك الخفيفة للجهاز الطباعة المستخدمة، في هذه الحالة في 405 نانومتر.
    2. استخدام شبكة بوليمر أكثر مرونة، سائل بلاستيسيزينج (5) (انظر الجدول للمواد).
  4. إعداد تعليق السيراميك
    1. إذا لزم الأمر، ديجلوميراتي المساحيق الألومينا استخدام المذيبات المتطايرة، مثل الإيثانول المطلقة، جنبا إلى جنب مع عامل تفريق (انظر الجدول للمواد) وشركة ألومينا الطحن كرات.
      1. لهذا، مزيج wt.% 80 من مسحوق مع المذيب wt.% 20 جنبا إلى جنب مع مسحوق مثل الكتلة المطلقة نفس مطحنة الكرات التي يبلغ قطرها 1-2 ملم، وإضافة عامل تفريق في طائفة من 0.5 إلى 2.0 wt.% على أساس مضمون مسحوق.
      2. مطحنة المخلوط ح 2 في مطحنة كرة كوكبية (انظر الجدول للمواد) ديجلوميراتي المسحوق من أجل تحقيق حجم الجسيمات الأولية.
      3. بعد الطحن، فصل كتلة مسحوق من مطحنة الكرات باستخدام غربال (مع شبكة من 500 ميكرومتر) والجاف للتعليق في غطاء دخان ح 12 في درجة حرارة الغرفة، ومن ثم في موقد مجفف عن 24 ساعة عند 110 درجة مئوية.
      4. طحن المسحوق المجفف من خلال غربال (100-500 ميكرومتر) للحصول على مسحوق ديجلوميراتيد وفونكتيوناليزيد.
        ملاحظة: يتم الآن فونكتيوناليزيد سطح الجسيمات مع عامل تفريق اللازمة لتعليق مستقرة ومنخفضة اللزوجة.
    2. التكيف مع الخصائص لتعليق المتقدمة، لا سيما اللزوجة الدينامية، بعملية الطباعة. هنا، كانت أربع مركبات مختلفة معدّة وتتسم من حيث اللزوجة الدينامية وسلوكهم علاج. أربع مركبات مختلفة (الأول، الثاني، والثالث، والرابع) تم إنشاؤها بواسطة تغيير في التراكيب.
      1. في المجمع الأول، استخدام نسبة 1.5 بين كروسلينكيرس دي وتترا الوظيفية. استخدام نسبة بين crosslinker الكامل والموثق مونوفونكشونال 1.2. محتوى فوتوينيتياتور wt.% 1.3 إلى الراتنج رد الفعل، وكان مضمون الملدنات wt.% 30 من المجموع. داخل المجمع، استخدام من مسحوق محتوى من 78 wt.%.
      2. في المركب الثاني، وزيادة المحتوى مسحوق 82 wt.%.
      3. في مجمع ثالثا، زيادة كمية crosslinker تترا الوظيفية عن طريق تغيير نسبة كروسلينكيرس دي وتترا الوظيفية إلى 1.8.
      4. في المجمع الرابع، خفض محتوى مسحوق إلى 75 wt.% وتغيير نسبة كروسلينكير إلى الموثق مونوفونكشونال إلى 1.0.
    3. خلط المكونات العضوية وفوتوريكتيفي مختلفة استناداً إلى أن المركبات الأول إلى الرابع هو موضح في القسم 1.4.2. إدخال المكونات يمكن مطحنة الكرة الكواكب عالية السرعة (انظر الجدول للمواد) ومجانسة الخليط لمدة 4 دقيقة بسرعة 1,000 لفة في الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن إضافة الملدنات للحصول على مرونة أعلى من البوليمر بعد علاج.
  5. إضافة مسحوق في خليط البوليمر
  6. مجانسة الخليط على ثلاثة مستويات: 4 دقيقة 1,000 لفة في الدقيقة، 45 s في 1500 دورة في الدقيقة، وعن 30 s 2,000 لفة في الدقيقة.
    ملاحظة: في حالة زيادة درجة حرارة، يبرد يمكن مع الماء. إذا لزم الأمر، كرر خلط لمرة ثانية.
  7. وصف تعليق
    1. تميز سلوك انسيابية، لا سيما اللزوجة الديناميكية كقيمة مميزة لسلوك تدفق. ينبغي أن يستند إنشاء قياس المعلمات عملية الطباعة، لا سيما سرعة الصب.
      1. استخدام رهيوميتير مع مخروط/لوحة قياس نظام (25 مم في القطر)، قابل للتعديل بين-25 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية (انظر الجدول للمواد).
      2. وضع عينة (حوالي 1 مل) من التعليق على اللوحة واتبع التعليمات قياس من رهيوميتير لقياس تناوب.
      3. تحليل اللزوجة الدينامية بزيادة معدل القص من 0.01 إلى 1000 s-1 عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ثابتة وقياس عزم الدوران.
        ملاحظة: أثناء هذه العملية، يلقي التعليق بسرعة من 40 ملم/s. ولذلك، هو معدل القص حوالي 200 ق-1، أقل بالنسبة لحركة العنصر المطبوعة، وثابت في بناء منهاج العمل، داخل تعليق المغلفة. ونتيجة لذلك، يتم تعريف الهيكل لقياس انسيابية.
      4. تأكد من أن التعليق يوضح إمالة رقيق السلوك مع الدينماكية أدناه Pa·s 600 لقص بمعدل 0.1 s-1 وأدناه 10 Pa·s لأسعار القص من 10 إلى 300 s-1.
    2. تميز علاج سلوك المعلقات المتقدمة. تحليل سلوك المعالجة التي تتأرجح القياسات قبل وأثناء وبعد التعرض مع الضوء (مع طول موجه من 300 إلى 500 نانومتر).
      1. استخدام رهيوميتير (انظر الجدول للمواد)، مثلاً، قابل للتعديل بين-25 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية، مع لوحة/(الزجاج) لوحة قياس نظام (25 مم في القطر) مع وجود فجوة من 50 ميكرومتر، في تركيبة مع مصدر ضوء LED أزرق (مع طول موجي 405 nm).
      2. إصلاح الصمام أسفل اللوحة (الزجاج) وضبط الكثافة تتفق مع كثافة الطباعة (حوالي 33 ميغاواط/سم2) باستخدام شحني.
      3. وضع عينة تعليق حوالي 1 مل على اللوحة (الزجاج) ونقل لوحة لنظام القياس إلى موضع القياس باستخدام ثغرة من 50 ميكرومتر.
      4. قياس معامل التخزين G´ – جزء من معامل القص معقدة ز * — باستخدام سعة تشوه دائم (مثلاً، 0.1% [0.09 °]) مع تردد 10 rad/s.
      5. قبل التعرض، وقياس G´ في فترات s 10 ل 60 ثانية. وهذا يمثل هضبة G´ الأولى لتعليق السائل.
      6. وبمجرد الانتهاء، بدء التعرض بعد 60 s باستخدام الصمام الأزرق (انظر الجدول للمواد) لمدة محددة (مثلاً، ق 1-4). قياس G´ أثناء وبعد التعرض. G´ يزيد بسبب التعرض، مما يشير إلى أن عملية البلمرة. اعتماداً على خصائص الوقت ووقف التعرض، ستزيد G´ إلى هضبة ثانية خلال البلمرة.

2-الصناعات التحويلية من صنف واحد وتشويه الأعضاء التناسلية الأنثوية مكونات السيراميك جيش تحرير السودان

  1. استخدام جهاز طباعة سيراميك دلب-جيش تحرير السودان. انظر المناقشة لوصف الجهاز.
    1. التحقيق في عمق المعالجة. هذه الخطوة ضروري لتحديد إمكانيات علاج من الطين (أي، على عمق تغلغل الضوء وعملية البلمرة اللاحقة). لهذا:
      1. تطبيق حوالي 1 مل الملاط مملوءة بالسيراميك الراتنج (إعداد في الخطوة 1، 4) على قطعة من رقائق شفافة (انظر المناقشة) بمساعدة ملعقة. استخدام ملعقة بوليمر التي تتمتع بمقاومة كيميائية عالية (مثلاً، ملعقة ألياف زجاجية نايلون).
      2. ضع إحباط مع الملاط تدفق على لوحة زجاج الطباعة.
      3. المشروع مع جهاز الطباعة دلب-جيش تحرير السودان، وتعرض لفترة اختبار ملثمين خفيفة لعدد محدد من الثواني في طائفة من 0.5 إلى 4 s.
      4. إزالة الطين أونكوريد الزائدة.
      5. قياس طبقة علاجه بمساعدة ميكرومتر. سمك علاجه يجب أن يكون على الأقل نفس المختار بناء طبقات، على الرغم من أن من المستحسن التوصل إلى عدة مرات سمك الطبقة بغية توفير ما يكفي من اختراق الضوء.
      6. كرر الخطوات 2.1.1.1. ل 2.1.1.5 حتى الشفاء المطلوب هو التوصل إلى سمك.
  2. تصنيع أجزاء المواد وظيفيا متدرج كما يلي.
    1. إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للجزء المطلوب باستخدام برامج CAD.
    2. شريحة ملف ثلاثي الأبعاد إلى طبقات من السمك المطلوب مع المساعدة من البرمجيات تشريح. سمك طبقة نموذجية من نطاقات نظام الطباعة من 25 إلى 100 ميكرومتر. احفظ الملف شرائح في تنسيق *.slc.
    3. نقل الملف *.slc إلى الجهاز عن طريق USB أو اتصال شبكة الاتصال.
    4. إنشاء برنامج طباعة وضبط معايير الطباعة (مثلعلاج المرة الواحدة لكل طبقة، وسرعة النقل [الصب سرعة] وبناء منصة بسرعة).
    5. ملء خزان جهاز الطباعة بنصف طاقتها مع ملاط السيراميك (حوالي 200 جرام).
    6. النقل الملاط لملء نظام مضخة حتى يبدأ الطين ضخها مرة أخرى إلى الخزان. تأكد من أن طبقة الملاط ولدت سمكا عدة مرات كسمك طبقة شريحة الملف المستهدف.
    7. إرفاق لوحة معدنية طباعة إلى بناء منصة استخدام ضغط الفراغ من فراغ مضخة دمج جهاز الطباعة.
    8. ابدأ تشغيل برنامج الطباعة.
      ملاحظة: جهاز الطباعة تلقائياً بنقل طبقة الملاط. إعادة ملء الخزان الملاط أثناء الطباعة إذا لزم الأمر.
    9. عند الانتهاء من برنامج الطباعة، قم بإزالة لوحة معدنية الطباعة مع المنتج. إيقاف مضخة فراغ باللوحة في الوقت نفسه.
    10. تنظيف الملاط المتبقية التي تعلق على سطح المنتج مع المذيبات عضوية خفيفة (مثلاً، كحولالايسوبروبيل). قد تبقى طبقة رقيقة من الملاط التقيد بها إلى سطح الأجزاء، وتتفاقم مع المنتجات مع سطح كبير.
    11. الجاف للمنتجات مشطوف في درجة حرارة الغرفة تحت غطاء دخان.

3-شركة ديبيندينج وشارك تلبد من صنف واحد ومكونات ختان الإناث

  1. ديبيند العينات الأخضر كما هو موضح في الخطوات التالية.
    1. أولاً، وضع العينات على أثاث فرن خاص الذي كان متكلس في حرارة على الأقل 50 درجة مئوية أعلى من درجة حرارة تلبد النهائي من المكونات المطبوعة. عند القيام بذلك، تحويل المكونات ديبوند إلى آخر قمائن الأثاث ليس ضروريا.
    2. تنفيذ برنامج ديبيندينج مع معدل تسخين منخفضة في فرن (انظر الجدول للمواد) تحت الهواء الغلاف الجوي يصل إلى 600 درجة مئوية (مثلاً، مع معدل تسخين قدرة 7.5 درجة مئوية/h). استخدام وقت يسكن عند 200 درجة مئوية، 400 درجة مئوية، و 600 درجة مئوية من 10 حاء زيادة معدل التسخين في 600 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية/ح تصل إلى 900 درجة مئوية واستخدام يسكن من 2 حاء يبرد بمعدل 3-5 درجة مئوية/دقيقة.
      ملاحظة: هذه الدورة على أساس توصيف مسبق قبل TGA-DSC؛ ومع ذلك، سيتطلب مجموعة مختلفة من تكوين البوليمر الراتنج تحديث برنامج ديبيندينج. هذا هو خطوة حاسمة في صناعة السيراميك، وينبغي عدم تجاهلها.
      ملاحظة: العضوية الموثق إزالة جميع المواد، في هذه المرحلة، حرارياً، بينما في نفس الخطوة بريسينتيرينج للجسيمات الألومينا يتم البدء لتمكين نقل العينات اللاحقة إلى فرن تلبد بأمان.
    3. نقل العينات مع لوحة الناقل إلى فرن تلبد (انظر الجدول للمواد).
    4. الملبدات العينات تحت الهواء في الغلاف الجوي في 1,600 درجة مئوية ح 2 في الفرن. استخدم معدل تسخين قدرة 3 درجة مئوية/دقيقة تصل إلى 900 درجة مئوية، تليها الدقيقة 1 درجة مئوية تصل إلى درجة الحرارة النهائية 1,600 درجة مئوية.
      ملاحظة: الانكماش الخطي المتوقعة من المكونات هو حوالي 20%-25% في x، اتجاه-ص و 25%-30% في الاتجاه-z.

4-وصف لمكونات صنف واحد ووظيفيا متدرج

  1. قطع العينات مع رأي الماس وتلميع السطح باستخدام أساليب سيراموجرافيك.
    1. التحقيق المجهرية باستخدام فسيم (انظر الجدول للمواد).
      ملاحظة: فحص بصريا المسامية مرحلتي متدرج وظيفيا، وفي الواجهة الحدود للمواد المستخدمة. للحصول على نتيجة أكثر تفصيلاً، إجراء تحليل واجهة. إذا كانت المسامية عالية جداً، تحسين تكوين تعليق (القسم 1)، المعلمات الطباعة (القسم 2-2) و/أو المعالجة الحرارية (الفرع 3). مسامية المستهدفة أقل من 1%.

Representative Results

وقد استخدمت لإنتاج مكونات مادة واحدة، وفي نهاية المطاف، وظيفيا هياكل متدرج عن طريق مزيج من مقاطع كثيفة والمليئة بالثغرات في مجموعة عيانية، سوى تعليق استناداً إلى شركة ألومينا.

وكانت نتيجة قياس الجسيمات متوسط القطر (د50) من مسحوق الألومينا المستخدمة بعد تشتت 0.47 ميكرومتر. ترتبط هذه النتيجة مع المعلومات المعطاة حجم الجسيمات الفعلية من 0.45 إلى 0.5 ميكرومتر من المورد. يبين الشكل 1A تحليل فسيم مسحوق الألومينا قبل إعداد و الشكل 1B صورة فسيم سطح جرانولاتي بالتفصيل. الشكل 1 و الشكل 1 إظهار نفسها بالنسبة لشركة ألومينا ديجلوميراتيد في حالة مجففة. لم تكن موجودة المساحيق غير المعالجة كواحد من الجسيمات الأولية، ولكن كحبيبات كروية كبيرة (يبلغ قطرها يصل إلى 100 ميكرومتر)، وحالة نموذجية الجاف للضغط على المواد الخام. إظهار الصور فسيم الأسطح جرانولاتي الجسيمات الأولية الألومينا غير المعالجة (الشكل 1B) وديجلوميراتيد (الشكل 1) مع حجم جسيمات الفعلية نحو 0.45 ميكرومتر.

ويبين الشكل 2 اللزوجة الدينامية من المعلقات المتقدمة استناداً إلى مسحوق الألومينا كدالة لمعدل القص – العرض التقديمي لوغاريتمي – واعتماداً على التراكيب المختلفة فيما يتعلق بمحتوى متنوع مسحوق، crosslinker الموثق نسبة، والمحتوى من عامل تفريق. إظهار كل تعليق التراكيب إمالة رقيق السلوك، لكن مستويات مختلفة من اللزوجة الدينامية.

يبين الشكل 3 تجانس تعليق مع صورة فسيم من شريحة رقيقة من راتنج السيراميك البوليمرية. الجسيمات الأولية السيراميك تظهر واضحة في حين البوليمر الراتنج إلى حد ما عدم الكشف عنها بواسطة كاشف إلكترون.

قياس معامل التخزين G´ كدالة للزمن لوصف السلوك علاج تبعاً للوقت ويرد في الشكل 4. المعلمة قابل للتعديل من جهاز الطباعة يساعد على تقييم الوقت علاج أثناء الطباعة. عموما، بتعليق يوضح مستوى ثابت من G´ أدناه 1,000 السلطة الفلسطينية لتشويه مطرد. خلال التعرض لأن الإيقاف، الذي يبدأ بعد 60 s، G´ يزيد تبعاً لوقت التعرض – تتفاوت في نطاق من 1 إلى 20 s – إلى مستوى أعلى من G´، أعلاه 105 السلطة الفلسطينية. ضمن الرسم التخطيطي، تمثيل المنحنيات مرات التعرض مختلفة من تعليق لإظهار التأثير قوة مركب البوليمر السيراميك علاجه.

يمكن التعامل مع معدات الطباعة السيراميك في جيش تحرير السودان، باستخدام تقنية أدمافليكس، عجائن السيراميك لزوجة عالية بفضل نظام النقل. يمكن تصور بتر أجزاء من عنصر تحكم بكسل بكسل الذي يوجه الضوء المشع لكل قسم من شبكة الاتصال. إطار-وآثار التعرض المفرط يمكن تعويضه بنفس ميزة التحكم بكسل بكسل. وباﻹضافة إلى ذلك، يستكمل ذلك بمجموعة برمجيات المتقدمة تحديد الأقسام المختلفة – المسامية وكثيفة – بغية تعويض الاختلافات السلوك الخفيفة في المنطقة المعرضة. توفر هذه التكنولوجيا الملكية تكييف استراتيجيات علاج الضوء على مثل هذه المقاطع.

باستخدام تعليق مع سلوك اللزوجة الديناميكية كما وردت في تكوين 1 (الشكل 2)، فجمس عنصر مفرد مع هياكل ثلاثية الأبعاد تم تصنيعها بعد تحديد معلمات الجهاز التجريبي. ويبين الشكل 5A نموذج ثلاثي الأبعاد معقدة ويظهر الشكل 5B بنية الاختبار متكلس استناداً إلى أن الإيقاف الألومينا ثنائيو المصنوعة داخل برنامج البحوث.

ويبين الشكل 6 فسيم الصور المجهرية عنصر تشويه مادي واحد داخل الجزء كثيفة؛ التسلل في طائفة عيانية.

Figure 1
رقم 1: صور فسيم. فريقي أولاً إظهار صور المجهر الإلكتروني المسح الميداني-الانبعاثات من (أ) مسحوق أكسيد الألومنيوم الأصلي وتفاصيل السطح (ب). فريقي التالية إظهار الصور مجهر المسح الميداني-الانبعاثات (ج) الجزيئات مسحوق بعد ديجلوميريشن و (د) السطحية من التفصيل. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
رقم 2: اللزوجة الديناميكية كدالة لمعدل القص لتعليق المتقدمة مختلفة اعتماداً على تكوين. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
رقم 3: صورة المسح الإلكتروني المجهري الميدانية-الانبعاثات من تعليق السيراميك الراتنج. ويوضح الشكل تجانس تعليق مسحوق راتنج البوليمرية.

Figure 4
الشكل 4: تخزين معامل G´ كدالة للزمن لتعليق عدة مع تركيبات مختلفة.

Figure 5
الرقم 5: ثلاثي الأبعاد النمذجة والطباعة- (أ) هذا النموذج يظهر ثلاثي الفريق من السيراميك وظيفيا متدرج مادة وحيدة مكونات المواد. (ب) هذا الفريق يظهر متكلس نتيجة عملية الطباعة.

Figure 6
رقم 6: الميدان-الانبعاثات مسح صور المجهر الإلكتروني هيكل الألومينا متكلس. (أ) هذا الفريق يظهر لمحة عامة. (ب) هذا الفريق يظهر صورة مفصلة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Discussion

ليزرع الطبية، المواد الخام قد تكون درجة نقاء عالية، من الناحية المثالية لنسبة 99.9% وأعلى. في هذا المشروع، يتم استخدام مسحوق ألومينا غير تجارية مع توزيع حجم جسيمات ضيقة، جسيمات متوسط حجم < 0.5 ميكرومتر، وسطح معين من حوالي 7 م2/g. وبدلاً من ذلك، من الممكن أيضا استخدام التراكيب المواد التجارية.

بغية تحقيق شروط التعامل مع أنسب هذه عجائن السيراميك بوليمر معين، استخدام تكنولوجيا الطباعة المشار إليها أعلاه. هذه التكنولوجيا مجهزة بنظام لإحباط نقل الذي يحمل الطين من خزان إلى ناحية الطباعة. تتألف ناحية الطباعة من سطح الزجاج الشفاف في الجزء السفلي، التي يوجد مصدر ضوء أن مشاريع الطبقات شرائح. في الجزء العلوي من ناحية الطباعة، هناك منصة بناء التي يمكن أن تتحرك عمودياً صعودا وهبوطاً بفضل شريحة محور ع. المنتج، ثم توقف على سطح لوح الطباعة المعدنية التي يمكن إرفاقها بشفط فراغ، فوق ناحية الطباعة. الملاط غير المستخدمة ثم تجمعها ممسحة، مجددة، ويتم ضخها مرة أخرى إلى الخزان الأصلي، وبالتالي خلق دائرة مغلقة مما يسمح للباحثين لإعادة استخدام ملاط التي تم استهلاكها لا لبناء نموذج ثلاثي الأبعاد. يمكن تغيير معلمات برامج مختلفة للتكيف مع العملية لتركيبات مختلفة من الطين والسيراميك الحشو. يجب وضع الطابعة في غرفة مع إعدادات الرطوبة والحرارة والضوء التي تسيطر عليها. يجب أن تكون مجهزة الغرفة مع فلتر الأشعة فوق البنفسجية للضوء الخارجي؛ وبالإضافة إلى ذلك، من المستحسن بدرجة حرارة من حوالي 20-24 درجة مئوية ورطوبة النسبية أقل من 40 في المائة. يظهر تصوير فسيم على حجم جسيمات متوسط أكبر الظاهر من مسحوق أكسيد الألومنيوم بعد ديجلوميريشن، مقارنة بالتحاليل الألومينا ميكرومتر 0.45 النظرية المادية من المورد. ويمكن تفسير هذا من حيث التكتل. أثناء التجفيف، بعد الخطوة ديجلوميريشن، الجسيمات إعادة التكتل، كما هو مبين في الشكل 1. أثناء إعداد تعليق، يمكن أن تشتت الجسيمات مكتل إعادة فضل خطوة الروغان السطحية. يمكن رؤية حجم جسيمات الظاهر أصغر في فسيم التصوير من الطين في الشكل 3.

فيما يتعلق بسلوك انسيابية، ينبغي أن يكون الطين مثالية للسيراميك التكنولوجيا جيش تحرير السودان (مثلاً، تكنولوجيا أدمافليكس) إمالة رقيق السلوك (أيانخفاض اللزوجة الديناميكية بمعدلات أعلى من القص). ليلقي أمثل في إحباط الداعمة أو استخدامها داخل وحدة الاستغناء عن، ينبغي إبقاء اللزوجة الدينامية في مجموعة مثالية بمعدلات منخفضة من القص. في حالة اللزوجة الدينامية عالية جداً في معدلات منخفضة من القص، صب طبقة الملاط من 200 ميكرومتر قد يعوقه عدم وجود تدفق لملء الفجوة تحت شفرة الطبيب. إذا كانت اللزوجة الدينامية أنها منخفضة جداً، قد تدفق التعليق بنفسه من الخزان تحت الشفرة أو بعيداً عن إحباط الدعم بسبب التدفق الطبيعي (الجاذبية). لكل تعليق التحقيق، يقلل اللزوجة الدينامية مع تزايد معدل قص. وتعطي سلوك التدفق الأمثل وقف تكوين 1 (الشكل 2). التغيرات المختلفة في تشكيل الملاط تؤثر على سلوك انسيابية للتعليق. سلوك التدفق الأمثل مع منخفضة لزوجة دينامية في النطاق المطلوب قد تحقق بتعليق المجمع 1. زيادة محتوى مسحوق أو محتوى غير أمثل من عامل تفريق (مجمع 2) وتغيير نسبة crosslinker الموثق باستخدام كمية أكبر من كروسلينكير متعددة الوظائف (تكوين 3) أدت إلى زيادة اللزوجة الدينامية، لصالحها العملية. إذا كان المحتوى مسحوق السفلي، جنبا إلى جنب مع انخفاض محتوى crosslinker متعددة الوظائف وفي تركيبة مع محتوى غير أمثل من عامل تفريق (تكوين 4)، اللزوجة الديناميكية بقوة ينخفض، مما قد يؤدي إلى غير مستقرة تعليق.

يمكن أن تساعد التغير في معامل التخزين G´ عجائن عند تشعيع الضوء لمعرفة المزيد عن علاج سلوك أن الإيقاف. ويستكمل ذلك باختبارات تجريبية على عمق المعالجة في جهاز الطباعة نفسها. علاج السلوك في أوقات مختلفة في علاج اتسمت بوقف ألومينا مع على سلوك انسيابية أمثل. قبل علاج يبدأ، بتعليق يوضح مستوى منخفض من G´ ويعرض قيم أقل من 100 السلطة الفلسطينية. عندما يبدأ علاج، يمكن أن يستدل بلمرة من المواد العضوية فوتوريكتيفي بزيادة G´ إلى مستوى أعلى. مع زيادة وقت المعالجة، منحدر G´ يزيد كحد أقصى في مجموعة من 105 إلى 107 السلطة الفلسطينية التي تعتمد على التكوين. وقت المعالجة 1 ق أدت إلى G´ نهائي أقل من 106 السلطة الفلسطينية، التي لا يكفي لقوام الحد أدنى ضروري. مع زيادة وقت المعالجة، يتم توفير المزيد من الطاقة (الفوتونات) إلى التعليق، الأمر الذي يؤدي إلى G´ أعلى نتيجة بدرجة أسرع وأعلى من التحويل (أعلى المنحدر). ينبغي أن يكون الوقت المعالجة الأمثل لتعليق الألومينا المتقدمة في طائفة من 2 إلى 3 s. مع وقت المعالجة من 4 s، والمستوى النهائي ل G´ والمنحدر علاج لها قيم كبيرة، أعلاه 2 × 106 السلطة الفلسطينية. اكتمال التحويل تقريبا وتقريبا توجد لا بوليمرات أونكوريد. قد يؤدي إلى زيادة إمدادات الطاقة أوفيركورينج الطين وتصلب مفرط من البوليمر، أسفر عن هيكل هش الذي له تأثير سلبي على المرفق للمنتج مع منهاج بناء.

عنصر اختبار واحد-ختان الإناث الذي اختير لهذه المخطوطة هو بنية زرع هيمي إس يحتوي قذيفة خارجي كثيف ونواة مركزية مثل العظام مسامية، كما يتبين في الشكل 5. يمكن أن تصنع هذا النموذج ثنائيو ومتكلس عيب خالية، كما يراها تصوير فسيم. يمكن أن تتحقق الهياكل الدقيقة وسمك الجدار (أقل من 0.1 ملم) ولا تشوه واضح خلال تلبد حدث. ووجد أن المجهرية مكونات الألومينا واحد نموذجي لتجهيز السيراميك الألومينا في درجات الحرارة تلبد معين، مع حجم الحبوب متجانسة. المسامية في المناطق الأكبر جداً منخفض (< 1%)، وكثافة > 99 ٪، مقارنة بالكثافة النظرية، قد تحقق.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

هذا المشروع قد تلقي تمويلاً من أفق 2020 البحث في الاتحاد الأوروبي وبرنامج الابتكار ضمن اتفاق المنحة رقم 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Scheithauer, U., et al. Micro-reactors made by Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM). Ceramic Transactions. 258, (2016).
  2. 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).
  3. Homa, J. Rapid Prototyping of high-performance ceramics opens new opportunities for the CIM industry. Powder Injection Molding International. 6 (3), 65-68 (2012).
  4. Chartier, T., Badev, A. Rapid Prototyping of Ceramics. Handbook of Advanced Ceramics. Somiya, S. , Academic Press. Oxford, UK. 489-524 (2013).
  5. Travitzky, N., et al. Additive Manufacturing of ceramic-based materials. Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).
  6. Hull, C. W. Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. , US4575330A (1986).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Kieback, B., Neubrand, A., Riedel, H. Processing techniques for functionally graded materials. Materials Science and Engineering - A. 362 (1-2), 81-106 (2003).
  13. Mortensen, A., Suresh, S. Functionally graded metals and metal-ceramic composites: Part 1 Processing. International Materials Reviews. 40 (6), 239-265 (1995).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Scheithauer, U., et al. Functionally Graded Materials Made by Water-Based Multilayer Technology. Refractories Worldforum. 8 (2), 95-101 (2016).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Moritz, T., et al. Material- and process hybridization for multifunctional ceramic and glass components. Ceramic Applications. 5 (2), 66-71 (2017).

Tags

الهندسة، العدد 143، السيراميك، والتصنيع المضافة، الضوء الرقمية التجهيز، صانعوا، المجسمة، تعليق اللزوجة، مواد متعددة، كثيفة المسامية، المسامية-التدرج
التصنيع المضافة من مواد خزفية وظيفيا متدرج المجسمة
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Gonzalez, P., Schwarzer, E.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter