כתוסף בייצור חומרי קרמיקה פונקציונלית מדורגת על ידי Stereolithography

* These authors contributed equally
Engineering
 

Summary

כתב יד זה מתאר את העיבוד של אחד הרכיבים קרמיקה רב תכליתיים (למשל, שילובים של מבנים צפופים נקבובי) additively מתוצרת stereolithography.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

טכנולוגיית הייצור מוספים מוחל להשיג חלקי קרמיקה מדורגת באופן פונקציונלי. טכנולוגיה זו, המבוססת על עיבוד אור דיגיטלי/stereolithography, מפותחת בתוך הטווח של הפרויקט והמחקר האירופי CerAMfacturing. מבנה דמוי עצם המי-נשימה עמוקה תלת-ממדיים (3-D) הוא תלת-ממדי מודפס באמצעות תערובות פולימריים מותאם אישית אלומיניום אוקסיד. אבקות ותערובות מנותחים לחלוטין מבחינת התנהגות rheological על מנת להבטיח חומר מתאים טיפול במהלך תהליך ההדפסה. האפשרות להדפיס באופן פונקציונלי מדורגות חומרים באמצעות Admaflex את הטכנולוגיה מוסבר במסמך זה. מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה שדה פליטה (FESEM) מראים כי החלק קרמיקה sintered אלומיניום אוקסיד יש נקבוביות נמוכה מ- 1% ללא שארית של מבנה שכבות המקורי נמצא לאחר ניתוח.

Introduction

קרמיקה טכנית גבוהה-מתחם יש יותר ויותר ביקוש כמעט בכל תחום של יישום, כולל אזורי תעשייה רבים. בתחום של בריאות האדם מוצא יותר ויותר יישומים בשל הקלות של האינדיבידואליזציה של המוצרים עבור כל מטופל. בעשור האחרון, הייצור מוספים יש שיפור האפשרויות של הפרט טיפולים רפואיים.

תוסף ייצור (AM) היא טכנולוגיית עיבוד המאפשר את התרגום של דגם תלת-ממדי שנוצר על-ידי המחשב במוצר פיזי על-ידי תוספת ברצף של חומר. באופן כללי, סדרה של 2-D שכבות יוצרים ערימה שתוצאתו צורה תלת-ממדית, המאפשר הייצור של רכיבים, עד כה, חסרת תקדים חופש עיצוב. מצב זה נחשב להיות המדינה-of-the-art טכנולוגיה גיבוש עבור פולימרים ומתכות. הטכנולוגיות התעשייתי הראשון לעיבוד קרמיקה הן זמינות1,2, כמעט כל טכנולוגיות AM ידוע משמשים AM קרמיקה מחומר יחיד במעבדות בכל העולם3,4, 5. בבוקר, במיוחד stereolithography, החל בשנות ה-80, פותחה על ידי גוף6. גישות שונות ייצור וחומרים להוביל מגוון של מאפייני המוצר, כגון גודל, חספוס או תכונות מכניות. כל טכניקות הייצור מוספים ניתן לסווג לשתי קבוצות: ישיר כתוסף בייצור טכנולוגיות5, אשר מבוססים על התצהיר סלקטיבי של החומר (למשל, חומר לטוס תהליכים כמו הזרקת דיו ישיר הדפסה או תרמופלסטי הדפסה תלת-ממדית [T3DP])7,-8,-9,-10, ובטכנולוגיות הייצור מוספים עקיף, אשר מבוססים על איחוד החומר סלקטיבי אשר הופקד על כל השכבה (למשל, קרמיקה stereolithography [SLA]).

המורכבות ואת המוכנות של היישומים החדשים דורשים שיפור של טכנולוגיות עיבוד קרמיקה AM. לדוגמה, יישומים תעשייתיים או רפואי חדשני מיוחד חייב לכלול מאפיינים שונים בתוך הרכיב אותו, מה שמוביל באופן פונקציונלי מדורגות חומרים (FGMs). חומרים אלו כוללים מגוון רחב של תכונות הנוגעות מעברים של מיקרו או גשמי11. המעברים הללו ניתן בדיד או רציף. סוגים שונים של FGMs הם מרכיבים ידועים, כגון רכיבי עם מעברי צבע גשמי או נקבוביות מדורגת, כמו גם צבעוני. ניתן לייצר רכיבים FGM יחיד קונבנציונאלי גיבוש טכנולוגיות12,13,14,15,16,17 או על ידי שילוב של טכנולוגיות אלה, לדוגמה, על-ידי תיוג בעובש כשילוב של הקלטת הליהוק, הזרקת שהמודעות18,19.

כדי לשלב את היתרונות של AM עם היתרונות של FGMs לקרמיקה ברכיבים מבוססי-4-D20 (שלוש מידות עבור הגיאומטריה ואת מידת החופש בנוגע את תכונות החומר במיקום כל אחד), פיתחה Admatec אירופה stereolithography התקן מבוסס-תלת-ממדי הדפסה בתוך פרוייקט מחקר אירופי "CerAMfacturing" עבור אני של רכיבים תפקודי או חומר רב.

הטכנולוגיה הותאם עבור רכיבי FGM היא גישה מבוססת stereolithography מעסיקה מעבד אור דיגיטלי (DLP) כמקור אור המכילים שבב מכשיר מיקרו-מראות דיגיטלי (DMD), נהגו פולימריזציה שרף אשר ניתן לערבב עם אבקות שונות. השבב DMD יש מערך של כמה מאות אלפי מראות מיקרוסקופיות הקבועות, אשר תואמות את הפיקסלים בתמונה שיוצג. המראות ניתן לסובב בנפרד כדי לקבוע עמדה ב- off של הפיקסל. שרפים הנפוצות ביותר מבוססים על תערובות של מונומרים אקרילט ו/או אראטאן. ב תערובות אלה, מצאנו גם תוספים אחרים, כגון אור קליטת מולקולות photoinitiator, צבע. התערובת שרף בדרך כלל ויוצקים לתוך מכולה או אמבט, הנקרא גם מע מ. הפילמור הנגרמת על ידי התגובה של מולקולה photoinitiator (PI), עם חלקיקי אור האור שנוצר על ידי השבב DMD. מבנים מונומר שרף שונים עלולים לגרום המחירים שונים פלמור, הצטמקות ומבנה הסופי. לדוגמה, השימוש של מונומרים monofunctional לעומת polyfunctional מונומרים יש השפעה ב cross-linking של הרשת פולימריים.

אחד הפרמטרים החשובים ביותר לקחת בחשבון עם SLA קרמיקה הוא אפקט אור-פיזור המיוצר כאשר אור (פוטונים) שחוצה דרך חומרים שונים. זה הוא מאוד להשפיע; במקרה זה, שרפים משולבים עם כמות של אבקת לייצר של השעיה או slurry. Slurry זה, ואז, מורכב חומרים שמציגים השבירה השונים אל האור. הבדל גדול בין הערכים מקדם שבירה של השרף את האבקה משפיעה על הדיוק תלת-ממדי של השכבות, המחירים פלמור, והמנה הכולל אור כדי לעורר את התגובה הפילמור. כאשר אור נכנסת ההשעיה, חלקיקי אבקת (קרי, קרמיקה, מתכת או פולימרים אחרים) מכמותה את נתיב האור. אפקט זה גורם שינוי הנתיב המקורי פוטונים (לקרינה). אם חלקיקי האור יש מסלול אלכסונית לכיוון חשיפה, הם עשויים ליצור תגובת הפילמור במיקום זה יכול להיות ואלכסוני לכיוון המקורי. תופעה זו גורמת חשיפת יתר כאשר האזור של slurry נרפא גדול יותר באזור החשוף. באופן דומה, שכן תת חשיפה, כאשר הרובד slurry נרפא קטנים יותר באזור החשוף במקור.

בתוך כתב היד, במחקר לא של רכיבים אלומינה שילוב של צפיפות גבוהה ומבנה macroporous, הבנתי באמצעות הטכנולוגיה Admaflex, מתוארת. כפי שהוסבר בפרויקט מחקר אירופי "CerAMfacturing", הייצור של חלקים קרמיקה FGM דורש רזולוציה גבוהה ואת מאפייני משטח טוב לפגוש את היישומים התובעניים. DLP stereolithographic טכנולוגיות, כגון המתואר כאן, מאפשר לחוקרים להשיג לרכיבים אלה מבוסס על קרמיקה, מתפקדת במלואה.

Protocol

1. פיתוח של המתלים Photocurable קרמיקה

  1. מבחר אבקות קרמיקה
    1. השתמש אבקות קרמיקה טוהר גבוהה (למשל, אבקת אלומיניום אוקסיד טוהר 99.9% ומעלה).
    2. לבחור אבקות (1) הפצה גודל החלקיקים צר צמיגות המסכן, (2) גודל החלקיקים הממוצע של < 0.5 מיקרומטר עבור sinterability טוב של (3) משטח ספציפי באזור שבעה מ' /g2עבור צמיגות נמוכה.
  2. אבקת מפרט
    1. לאפיין את אבקות בדבר צורת פני השטח, פילוג גודל החלקיקים במידת הצורך (טבלה של חומרים).
    2. לאפיין את הצורה של חלקיקים באמצעות, למשל, ניתוח FESEM. על מנת לעשות זאת, לקחת (כמה מיליגרמים) של אבקת עם מרית, פיקדון על-גבי חשבונית קלטת ריבוע עם גודל שטח של 100 מ מ2. Metalize ההרכב לפני כניסתה בבית הבליעה מיקרוסקופ.
    3. להעריך את פילוג גודל החלקיקים באבקות שימוש עם, למשל, שיטה עקיפה לייזר. Put (כמה מיליגרמים) של המדגם עם מרית החדרה ערבוב של המכונה, deagglomerate אותו באמצעות בתדירות גבוהה אולטרסאונד גלים 5 x 5 דקות בכל פעם.
    4. למדוד את מאפייני משטח ספציפי באבקות בשימוש באמצעות גישה מן המלון-אמט-טלר (ב'). לאסוף את isotherms ספיחה/desorption של חנקן נוזלי. דגה הדגימות ב 150 מעלות צלזיוס לפני המידות.
  3. מבחר של שרף פולימריים
    1. לבחור, לדוגמה, קלסר monofunctional (1; ראה טבלה של חומרים) יחד עם di(2) - טטרה (3)-crosslinker פונקציונלי (ראה טבלה של חומרים), photoinitiator (4; ראה טבלה של חומרים) פעיל של אורך הגל מנוע האור בשימוש של התקן ההדפסה, במקרה זה-405 ננומטר.
    2. עבור רשת פולימריים גמישים יותר, השתמש נוזל קוסמטיות (5; ראה טבלה של חומרים).
  4. הכנה של המתלים קרמיקה
    1. במידת הצורך, deagglomerate את אבקות אלומינה באמצעות בתור ממיס נדיפים, כגון אתנול מוחלט, יחד עם סוכן פיזור (ראה טבלה של חומרים) ואלומינה כרסום כדורי.
      1. בשביל זה, לערבב wt.% 80 של אבקה עם הממס wt.% 20 יחד עם אותו מוחלטת בנפח גדול כמו אבקה של מיל כדורים בקוטר של 1-2 מ מ, וכן להוסיף הסוכן לפיזור בטווח של 0.5 עד 2.0 wt.% מבוסס על התוכן אבקה.
      2. מיל את התערובת כבר שעתיים טחנת הכדור פלנטרית (ראה טבלה של חומרים) כדי deagglomerate את האבקה על מנת להשיג את גודל החלקיקים העיקרי.
      3. לאחר הטחינה, להפריד את המסה אבקת מן הכדורים הטחנה באמצעות מסננת (עם רשת של 500 מיקרומטר) ויבשה ההשעיה ברדס fume במשך 12 שעות בטמפרטורת החדר ו, לאחר מכן, ב תנור מייבש במשך 24 שעות ביממה ב- 110 מעלות צלזיוס.
      4. לטחון את האבקה מיובשים דרך מסננת (100-500 מיקרומטר) כדי לקבל את האבקה deagglomerated ו- functionalized.
        הערה: פני השטח של החלקיקים עכשיו functionalized עם הסוכן לפיזור הכרחי עבור השעיה נמוך נטול צמיגות ויציבה.
    2. להתאים את מאפייני המתלים מפותחת, במיוחד צמיגות דינאמית, בתהליך ההדפסה. כאן, תרכובות שונות ארבעה היו מוכנים ומתאפיינות במונחים של צמיגות דינאמית, התנהגותם ריפוי. ארבעה תרכובות שונות (אני II, III, IV) נוצרו על-ידי שינוי קומפוזיציות.
      1. במתחם, השתמש יחס של 1.5 בין crosslinkers di, טטרה-תפקודית. השתמש יחס בין crosslinker מלאה של קלסר monofunctional של 1.2. התוכן של photoinitiator wt.% 1.3 תגובתי שרף והיה התוכן של מרכך ומגמיש 30 wt.% של הסכום הכולל. בתוך המתחם, להשתמש בתוכן של אבקת 78 wt.%.
      2. מתחם השנייה, להגדיל את התוכן אבקת 82 wt.%.
      3. מתחם השלישי, להגדיל את כמות crosslinker טטרה-פונקציונלי על-ידי שינוי היחס בין crosslinkers di, טטרה-תפקודית 1.8.
      4. מתחם הרביעי, לצמצם את התוכן אבקת 75 wt.% ולשנות את היחס בין crosslinker קלסר monofunctional ל- 1.0.
    3. מערבבים אורגני, photoreactive הרכיבים השונים בהתבסס על תרכובות שאני הרביעי המתוארות בסעיף 1.4.2. להציג את הרכיבים לתוך פחית של טחנת הכדור פלנטרי במהירות גבוהה (ראה טבלה של חומרים), homogenize את התערובת למשך 4 דקות במהירות של 1000 סל ד. בנוסף, ניתן להוסיף plasticizer כדי לקבל את גמישות גבוהה יותר של הפולימר לאחר ריפוי.
  5. הוספת אבקת לתערובת פולימר
  6. Homogenize את התערובת בשלוש רמות: במשך 4 דקות ב- 1,000 סל ד, עבור 45 s ב- 1,500 סל ד, ובמשך 30 s ב-2000 סל ד.
    הערה: במקרה טמפרטורה מוגברת, לקרר את הפחית במים. אם יש צורך, חזור על ערבוב בפעם השנייה.
  7. אפיון של התליה
    1. לאפיין את התנהגות rheological, במיוחד צמיגות דינאמית כאל ערך אופייני של ההתנהגות זרימה. קביעת המידה צריך להיות מבוסס על הפרמטרים תהליך ההדפסה, במיוחד את מהירות הליהוק.
      1. השתמש rheometer עם צלחת/קונוס מדידת מערכת (25 מ"מ קוטר), מתכווננת בין--25 ° C עד 200 ° C (ראה טבלה של חומרים).
      2. שים מדגם (כ 1 מ"ל) של התליה על הצלחת ובצע את ההוראות מדידה של rheometer עבור מדידה המסתובבת.
      3. לנתח את צמיגות דינאמית על-ידי הגברת הקצב של הטיה של 0.01 עד 1000 s-1 בטמפרטורה קבועה של 20 ° C ומדידת את מומנט.
        הערה: במהלך התהליך, ההשעיה הוא יצוק עם מהירות של 40 מ מ/s. לכן, שיעור הטיה הוא כ 200 s-1, נמוך יותר עבור התנועה של הרכיב המודפס ולאחר קבוע על פלטפורמת הבניין, בתוך התליה מצופה. כתוצאה מכך, הסידור של המדידה rheological מוגדר.
      4. ודא כי ההשעיה מראה של הטיה דליל התנהגות עם צמיגות דינאמית מתחת Pa·s 600 על שיעור הטיה של 0.1 s-1 ומתחת Pa·s 10 לתעריפים הטיה של 10 עד 300 s-1.
    2. לאפיין את ההתנהגות ריפוי של המתלים פיתח. לנתח את ההתנהגות ריפוי על ידי נדנוד מדידות לפני, במהלך, ואחרי חשיפה עם אור (עם אורך גל של 300 עד 500 ננומטר).
      1. להשתמש rheometer (ראה טבלה של חומרים), למשל, מתכווננת בין--25 ° C עד 200 ° C, עם צלחת / (זכוכית) של צלחת מדידת מערכת (25 מ"מ קוטר) עם פער של 50 מיקרומטר, בשילוב עם מקור אור LED כחולה (עם אורך גל של 405 ננומטר).
      2. תקן ה-LED מתחת לצלחת (זכוכית) ולהתאים את עוצמת להתאים את עוצמת ההדפסה (כ 33 mW/cm2) באמצעות של photometer.
      3. שים מדגם השעיה של 1 מ"ל על צלחת (זכוכית) ולהעביר לצלחת של מערכת מדידה למיקום מדידה באמצעות פער של 50 מיקרומטר.
      4. למדוד את המודולוס אחסון G´ — חלק המודולוס הטיה מתחם G * — על-ידי שימוש של דפורמציה קבוע משרעת (לדוגמה, 0.1% [0.09 °]) עם תדירות של ראד 10/s.
      5. לפני החשיפה, למדוד G´ במרווחים s 10 60 s. זה מייצג של הרמה הראשונה של G´ על המתלה נוזלי.
      6. עם סיום, להתחיל את החשיפה לאחר 60 s באמצעות ה-LED כחול (ראה טבלה של חומרים) עבור משך זמן מוגדר (למשל, s 1-4). מדד G´ במהלך ואחרי החשיפה. G´ מגביר עקב החשיפה, המציין את תהליך הפילמור. בהתאם המאפיינים ההשעיה וזמן חשיפה, G´ יגדל ל מישור השני במהלך הפילמור.

2. ייצור יחיד מדורגים ורכיבים FGM מאת SLA קרמיקה

  1. השתמש בהתקן הדפסה קרמיקה DLP-SLA. ראה דיון לתיאור המנגנון.
    1. לחקור את העומק לריפוי. שלב זה יש צורך לקבוע את יכולות ריפוי slurry (קרי, את עומק חדירה של האור ושל תהליך הפילמור עוקבות). בשביל זה:
      1. החל כ 1 מ"ל של slurry שרף מלא קרמיקה (להכין בשלב 1.4) על פיסת נייר שקוף (ראה דיון) בעזרת מרית. השתמש במרית פולימר בעל עמידות כימית גבוהה (למשל, מרית סיב זכוכית ניילון).
      2. מניחים את רדיד האלומיניום עם slurry סומק על לוח הזכוכית ההדפסה.
      3. הפרוייקט, עם התקן ההדפסה DLP-SLA, חשיפה של אור מבחן רעולי פנים עבור מספר קבוע של שניות בטווח של 0.5 עד 4 s.
      4. להסיר את עודף slurry משומרים.
      5. למדוד את השכבה נרפא בעזרת מיקרומטר. העובי נרפא חייב להיות לפחות זהה לזה של הנבחרת מבנה שכבות, אף מומלץ להגיע מספר פעמים את העובי של השכבה על מנת לספק מספיק חדירה קלה.
      6. חזור על שלבים 2.1.1.1. כדי 2.1.1.5 עד ריפא הרצוי עובי נגיש.
  2. ייצור החלקים גשמי פונקציונלית מדורגת כדלקמן.
    1. ליצור מודל תלת-מימדי החלק הרצוי באמצעות תוכנות CAD.
    2. פורסים את קובץ תלת-ממדי על שכבות של עובי הנדרש עם העזרה של תוכנת עם פרוסות. עובי שכבה טיפוסי של טווחים מערכת הדפסה מ- 25 ל- 100 מיקרומטר. שמור את הקובץ הפרוס בתבנית *.slc.
    3. להעביר את הקובץ *.slc המכשיר באמצעות כבל USB או חיבור רשת.
    4. צור תוכנית ההדפסה והתאם את הפרמטרים ההדפסה (למשל, לרפא את הזמן לכל שכבה, תחבורה מהירות [מהירות הליהוק] ואת בניין פלטפורמה מהירויות).
    5. למלא המאגר של התקן ההדפסה כדי חצי יכולתה slurry קרמיקה (כ- 200 גרם).
    6. תחבורה של slurry כדי למלא את מערכת משאבת עד slurry מתחיל להישאב בחזרה לתוך המאגר. ודא כי השכבה slurry שנוצר הוא מספר פעמים עבה כמו העובי של שכבה פרוסה שקובץ היעד.
    7. לצרף לוח מתכת הדפסה פלטפורמת הבניין באמצעות לחץ ואקום משאבת ואקום משולב לתוך התקן ההדפסה.
    8. הפעלת התוכנית ההדפסה.
      הערה: התקן ההדפסה באופן אוטומטי נעביר את השכבה slurry. מילוי מחדש המאגר slurry במהלך ההדפסה במידת הצורך.
    9. עם השלמת התוכנית ההדפסה, הסר את לוחית המתכת הדפסה עם המוצר. . תכבה את משאבת ואקום והחזק את הצלחת בו זמנית.
    10. לנקות את slurry הנותרים המצורפת את פני השטח של המוצר עם הממס האורגני מתון (למשל, אלכוהול איזופרופיל). שכבה דקה של slurry עשויים להישאר מודבקת למשטח של החלקים, הדגישה עם מוצרים עם משטח גדול.
    11. יבש את המוצרים שטופים בטמפרטורת החדר ברדס fume.

3. Co-debinding, sintering משותפת של יחיד מדורגים ורכיבים FGM

  1. Debind הדגימות ירוק כפי שתואר בשלבים הבאים.
    1. הראשון, לשים את הדגימות רהיטים כבשן מיוחד אשר היה sintered-טמפרטורה לפחות 50 ° C גבוה יותר מאשר הטמפרטורה מתיכות הסופי של הרכיבים המודפס. בכך מעביר את הרכיבים debound רהיטים כבשן אחר אינה הכרחית.
    2. לבצע תוכנית debinding עם שיעור נמוך חימום תנור (ראה טבלה של חומרים) תחת אוויר אווירה עד 600 מעלות צלזיוס (למשל, עם קצב חימום של 7.5 ° C h). השתמש זמן להתעכב ב 200 מעלות צלזיוס, 400 ° C ו- 600 מעלות צלזיוס של ה 10 להגדיל קצב חימום ב 600 מעלות צלזיוס ש 60 ° C עד 900 ° C ושימוש להתעכב של ה 2 להתקרר, בקצב של 3-5 ° C/min.
      הערה: מחזור זה מבוסס על אפיון מוקדמת על ידי TGA-DSC; עם זאת, קבוצה שונה של הרכב שרף פולימרי ידרשו תוכנית debinding מעודכן. זהו שלב חיוני בייצור קרמיקה והוא שאין להתעלם.
      הערה: כל חומר אורגני בינדר, בשלב זה, תרמית יוסרו, בעוד באותו שלב presintering של חלקיקי אלומינה מאותחלת בבטחה לאפשר העברת עוקבות הדגימות אל כבשן מתיכות.
    3. להעביר את הדגימות עם לוחית הספק תנור מתיכות (ראה טבלה של חומרים).
    4. מדבקק את הדגימות תחת אוויר והאווירה במקום 1,600 מעלות צלזיוס במשך שעתיים בתנור. השתמש בקצב חימום של 3 ° C/דקה עד 900 ° C, ואחריו 1 ° C/דקה עד הטמפרטורה הסופי של 1,600 מעלות צלזיוס.
      הערה: הצטמקות הליניארי הצפוי של הרכיבים הוא בערך 20-25% ב- x, y-כיוון ו- 25% - 30% z-כיוון.

4. אפיון יחיד מדורגים ורכיבים מדורגים פונקציונאלית

  1. לחתוך את הדגימות עם מסור יהלום ולהבריק את פני השטח באמצעות שיטות ceramographic.
    1. לחקור את מיקרו באמצעות FESEM (ראה טבלה של חומרים).
      הערה: בדוק חזותית שהנקבוביות הן את שני השלבים מדורגת באופן פונקציונלי, הממשק גבול של החומרים בשימוש. כדי להשיג תוצאה מפורטת יותר, לבצע ניתוח ממשק. אם נקבוביות גבוהה מדי, למטב את ההרכב ההשעיה (סעיף 1), הפרמטרים ההדפסה (סעיף 2.2) ו/או הטיפול התרמי (סעיף 3). נקבוביות יישוב הוא מתחת 1%.

Representative Results

עבור הייצור של רכיבי מחומר יחיד, בסופו של דבר, מבחינה תפקודית מבנים מדורגים על-ידי שילוב של צפופה של נקבובי מקטעי במגוון מאקרוסקופית, רק המתלים בהתבסס על אלומינה היו בשימוש.

תוצאת המדידה הקוטר החלקיקים הממוצע (D50) של האבקה אלומינה בשימוש לאחר פיזור היה 0.47 מיקרומטר. תוצאה זו עולה בקנה אחד עם המידע נתון של גודל של חלקיקים בפועל של 0.45 עד 0.5 מיקרומטר מהספק. איור 1A מציג ניתוח FESEM של האבקה אלומינה לפני ההכנה, איור 1B תמונת FESEM של משטח granulate בפירוט. 1C איור , איור 1D הצג זהה עבור אלומינה deagglomerated מדינה מיובשים. אבקות לא מטופל אינם נוכחים כחלקיקים ראשי יחיד, אך כמו גרגרי כדורית גדול (בקוטר עד 100 מיקרומטר), המהווה תנאי אופיינית עבור יבש הקשה על חומרי גלם. תמונות FESEM של משטחים granulate להראות את החלקיקים העיקרי של אלומינה לא מטופל (איור 1B), deagglomerated (איור 1D) עם גודל החלקיקים בפועל של מיקרומטר כ 0.45.

איור 2 מציג את צמיגות דינאמית המתלים מפותח בהתבסס על האבקה אלומינה כפונקציה של שיעור הטיה — מצגת לוגריתמי – ובהתאם יצירות שונות בדבר תוכן אבקת מגוונת, בינדר-crosslinker יחס, תוכן של הסוכן לפיזור. קומפוזיציות ההשעיה כל מראים הטיה של דילול התנהגות, אך רמות שונות של צמיגויות דינמי.

ההומוגניות ההשעיה מוצג באיור 3 עם תמונת FESEM של פרוסה דק של שרף פולימריים קרמיקה. החלקיקים העיקרי קרמיקה יופיעו באופן ברור תוך הפולימרים שרף הוא במידה מסוימת לא זוהה על ידי גלאי אלקטרונים.

המדד של המודולוס אחסון G´ כפונקציה של זמן כדי לאפיין את ההתנהגות ריפוי כמו בהתאם זמן מוצג באיור4. הפרמטר מתכוונן של התקן ההדפסה מסייע להעריך את הזמן ריפוי במהלך ההדפסה. באופן כללי, ההשעיה מציג רמה קבועה של G´ מתחת 1,000 הרשות הפלסטינית על עיוות יציב. במהלך חשיפת המתלים, אשר מתחיל לאחר 60 s, G´ מגביר תלוי בזמן חשיפה — מגוונות בטווח של 1 עד 20 s – לרמה גבוהה יותר של G´, מעל 105 הפלסטינית. בתוך הדיאגרמה, מייצגים העקומות פעמים חשיפה שונה של השעיה השפעתם על כוחו נרפא הפולימר-קרמיקה-הפרדות צבע.

קרמיקה SLA הדפסה ציוד, באמצעות הטכנולוגיה Admaflex, יכול לטפל slurries קרמיקה צמיגות גבוהה בזכות מערכת התחבורה. החלקים FGM יכול להיות נתפס על ידי פקד על ידי פיקסל פיקסל שמנתב את האור לקרינה עבור כל מקטע של הרשת. תחת-, חשיפת יתר תופעות יכול להיות מפוצה על ידי התכונה בקרת פיקסל-מאת פיקסל אותו. בנוסף, זה הוא השלים חבילת התוכנות שפותחו זיהוי הסעיפים שונה — נקבובי וצפוף — כדי לפצות את ההבדלים בהתנהגות אור לכל אזור חשוף. זו טכנולוגיה קניינית מספק מותאם אסטרטגיות אור-אשפרה קטעים כאלה.

באמצעות השעיה עם התנהגות צמיגות דינאמית, כפי שהוצג בהרכב 1 (איור 2), FGMs רכיב יחיד עם מבנים תלת-ממדיים יוצרו לאחר קביעת הפרמטרים המכשיר הניסיוני. איור 5A מציג מודל תלת-ממדי מורכב ומראה דמות 5B מבנה המבחן sintered בהתאם המתלים אלומינה additively מיוצר בתוך התוכנית מחקר.

איור 6 מציג תמונות FESEM של מיקרו של רכיב FGM מחומר יחיד בתוך החלק עבותים; נקבוביות הוא בטווח מאקרוסקופית.

Figure 1
איור 1: תמונות FESEM. הלוחות הראשונים להציג תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה שדה פליטה של (A) את המקורי אלומינה אבקת ואת פרטי המשטח (B). הלוחות שני הבא להראות תמונות מיקרוסקופ סריקה שדה פליטה של (C) את חלקיקי אבקת לאחר deagglomeration ו- (ד) על פני השטח פרט. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: צמיגות דינאמית כפונקציה של שיעור הטיה עבור המתלים המפותחות שונים כמו בהתאם הרכב. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: פליטת שדה תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה של השעיה קרמיקה-שרף- האיור מציג ההומוגניות ההשעיה אבקת שרף פולימריים.

Figure 4
איור 4: אחסון מודולוס G´ כפונקציה של הזמן המתלים מספר עם יצירות שונות.

Figure 5
איור 5: תלת-ממד מודלים והדפסה. (א) מודל מראה תלת-ממדי זה פאנל של קרמיקה מחומר יחיד מדורגים פונקציונאלית רכיב גשמי. (B) לוח זה מראה את התוצאה sintered תהליך ההדפסה.

Figure 6
איור 6: סריקת תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים של מבנה אלומינה sintered פליטת שדה. (א) לוח זה מראה סקירה. (B) לוח זה מציג תמונה מפורטת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

של שתלים רפואיים, חומר הגלם חייב להיות טהור, אידיאלי של 99.9% ומעלה. בפרויקט זה, נעשה שימוש מסחרי אלומינה לאבקה עם התפלגות גודל החלקיקים הצר של החלקיקים הממוצע גודל < 0.5 מיקרומטר, משטח ספציפי של שבעה מ'2/g. לחלופין, זה גם אפשרי לשימוש מסחרי יצירות גשמי.

על מנת להשיג את התנאים לטיפול המתאים ביותר עבור אלה slurries קרמיקה-פולימר מסוים, להשתמש בטכנולוגיית הדפוס הנ. טכנולוגיה זו הינו מצויד עם מערכת תחבורה רדיד שנושאת את slurry מתוך מאגר לאזור ההדפסה. לאזור ההדפסה מורכב משטח זכוכית שקופה בתחתית, תחת אשר יש מקור אור הפרויקטים את הרבדים הפרוס. בחלק העליון של אזור ההדפסה, יש פלטפורמה בניין שיכול להזיז אנכית למעלה ולמטה הודות שקופית ציר z. המוצר, ואז נתקע על פני מלוחית ההדפסה מתכת שניתן לצרף ביניקה ואקום, מעל לאזור ההדפסה. Slurry שאינם בשימוש ואז נאסף על ידי מגב, חזרה reconditioned, שאוב המאגר המקורי, ובכך ליצור במעגל סגור אשר מאפשר לחוקרים שימוש חוזר של slurry זה לא נצרך לבנייה של הדגם התלת-ממדי. ניתן לשנות פרמטרים של תוכנות שונות על מנת להתאים לתהליך יצירות slurry שונים, חומרי מילוי קרמי. למדפסת יש להציב בחדר עם אור מבוקרת טמפרטורה, לחות הגדרות. החדר חייב להיות מצויד פילטר UV ללא האור החיצוני; בנוסף, מומלץ לאכול לטמפרטורה של-20-24 ° C ולחות יחסית מתחת 40%. ההדמיה FESEM מראה גודל החלקיקים הממוצע גדול יותר ניכר של אלומינה לאחר deagglomeration, בהשוואה ל- 0.45 תיאורטי-מיקרומטר אלומינה גשמי הבדיקות על ידי הספק. זו יכולה להיות מוסברת במונחים של הצטברות. במהלך ייבוש, לאחר השלב deagglomeration, החלקיקים מחדש אגלומרט, כפי שניתן לראות באיור 1D. במהלך הכנת ההשעיה, החלקיקים מגובבים מחדש יכולים להיות מפוזרים בזכות הצעד functionalization פני השטח. גודל החלקיקים לכאורה קטן יותר ניתן לראות את FESEM הדמיה של slurry באיור3.

בנוגע להתנהגות rheological, slurry אידיאלי עבור טכנולוגיית SLA קרמיקה (למשל, Admaflex טכנולוגיה) צריך להיות של הטיה דליל התנהגות (קרי, צמיגות דינאמית יורדת בקצב הטיה גבוהה יותר). יצוק אופטימלית התומכים בנייר כסף או לשימוש בתוך יחידת שחולק, יש לשמור את צמיגות דינאמית-לטווח אידיאלי במחירים נמוכים הטיה. במקרה של צמיגות דינאמית גבוהה מדי במחירים נמוכים הטיה, הליהוק של שכבת slurry מיקרומטר 200 עשוי להיות הכבידו על ידי חוסר זרימה כדי למלא את הפער תחת הלהב הרופא. אם צמיגות דינאמית זה נמוך מדי, ההשעיה עשוי לזרום בעצמה מן המאגר מתחת הלהב או הרחק את רדיד האלומיניום תמיכה בשל הזרימה הטבעית (כוח המשיכה). עבור כל המתלים ובדוקים, מקטין צמיגות דינאמית עם שיעור גדל והולך של הטיה. ההתנהגות זרימה אופטימלית ההשעיה ניתנת על ידי הרכב 1 (איור 2). שינויים שונים בהרכב slurry משפיעים על ההתנהגות rheological של ההשעיה. ההתנהגות זרימה אופטימלית עם צמיגות דינאמית נמוכה בטווח הנדרש הושגה על ידי השעיית מורכבים 1. גידול של התוכן אבקה או תוכן בלתי אופטימאליים של הסוכן לפיזור (מתחם 2) ושינוי היחס בינדר-crosslinker באמצעות כמות גבוהה יותר של crosslinker רב תכליתיים (הרכב 3) הוביל לעליה של צמיגות דינאמית, disadvantageously על התהליך. אם התוכן אבקת התחתון, יחד עם תוכן התחתון של crosslinker רב תכליתיים, בשילוב עם תוכן בלתי אופטימאליים של הסוכן לפיזור (הרכב 4), צמיגות דינאמית חריפה מופחת, שיכול להוביל יציב ההשעיה.

השינוי שחל אחסון מודולוס G´ של slurries על הקרנה אור יכול לעזור כדי ללמוד עוד אודות ההתנהגות ריפוי של המתלים. זה הוא השלים בדיקות ניסיוניות של עומק של ריפוי-מנהל ההדפסה עצמה. ההתנהגות ריפוי בזמנים שונים, ריפוי התאפיינה של השעיה אלומינה עם התנהגות rheological האופטימלית. לפני ריפוי מתחיל, ההשעיה מציג רמה נמוכה של G´ ומציגה ערכי מתחת 100 הפלסטינית. כאשר ריפוי מתחיל, שניתן להסיק על פלמור של אורגניקס photoreactive מעלייה של G´ לרמה גבוהה יותר. עם הזמן גדל והולך ריפוי, השיפוע של G´ עולה למקסימום בטווח של 10-5 עד 107 הרשות הפלסטינית אשר תלויה בהרכב. זמן ריפוי של 1 s הובילה G´ הסופי להלן 106 הרשות הפלסטינית, אשר לא מספיק כוח מינימלי הכרחי. עם הזמן גדל והולך ריפוי, יותר אנרגיה (פוטונים) מסופקים ההשעיה, מה שמוביל G´ גבוהה יותר כתוצאה תואר מהר יותר, גבוה יותר של המרה (שיפוע גבוה יותר). הזמן ריפוי אופטימלי עבור ההשעיה אלומינה מפותחת צריך להיות בטווח של 2-3 s. עם זמן ריפוי של 4 s, רמת הסופי של G´ והמדרון ריפוי בעלות ערכים גדולים, מעל 2 x 106 הפלסטינית. ההמרה היא כמעט מוחלט, כמעט אין פולימרים משומרים קיים. אספקת אנרגיה נוספת עלולה לגרום overcuring של slurry, של התקשות מוגזמת של הפולימר, וכתוצאה מכך מבנה שביר יש השפעה שלילית על הקובץ המצורף של המוצר עם פלטפורמת הבניין.

הרכיב מבחן יחיד-FGM שבחרת עבור כתב יד זה הוא מבנה השתל המי-נשימה עמוקה המכילה פגז החיצוני צפופה של הליבה המרכזית דמוי עצם נקבובי, כפי שניתן לראות באיור5. מודל זה יכול להיות additively מיוצרים, sintered פגם-חינם, כפי שנראה FESEM ההדמיה. עם המבנים המרשימים, עובי הקיר (פחות מ- 0.1 מ"מ) ניתן למימוש, אין דפורמציה ניכרת במהלך סינטור אירעה. התברר כי מיקרו של רכיבי אלומינה יחיד הוא אופייני עיבוד קרמיקה אלומינה בטמפרטורות מתיכות נתון, עם גודל גרגרים הומוגנית. נקבוביות באזורי בכמות גדולה הוא מאוד נמוך (< 1%), צפיפות > 99%, בהשוואה לצפיפות תיאורטית, הושג.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

הפרויקט זכה למימון מחקר 2020 אופק ותוכנית החדשנות של האיחוד האירופי תחת גרנט הסכם לא 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics