Name: additive manufacturing of functionally graded ceramic materials by stereolithography
Uploaded: 2019-01-25T13:45:00
Duration: 6 min 53 s
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该项目根据《豁免8503赠款协议》获得了欧洲联盟 "地平线2020研究和创新" 方案的资助。

1. 光致陶瓷悬浮液的发展
<ol><li>陶瓷粉末的选择
	<ol>
<li>使用高纯度陶瓷粉末 (例如, 纯度为99.9% 或更高的氧化铝粉末)。</li>
		<li>选择具有 (1) 粒径分布较窄的粉末, 以降低粘度; (2) 平均粒径为 0.5μm, 以达到良好的烧结性, (3) 在7米 2/附近的特定表面, 以获得较低的粘度.</li>
	</ol></li>
	<li>粉末规格
	<ol>
<li>必要时对粉末的形状、表面积和粒径分布进行表征 (材料表)。</li>
		<li>例如, 使用 fesem 分析来描述粒子形状。为了做到这一点, 采取 (几毫克) 粉末与铲子和存款, 并将其存放在一个碳磁带广场, 面积约为100毫米2。在显微镜室引入之前, 将合奏进行金属化。</li>
		<li>例如, 用激光衍射法评估所利用粉末的粒径分布。将样品中的 (几毫克) 与铲子放入机器的混合室, 并使用高频超声波 5倍, 每次5分钟将其分解。</li>
		<li>使用 brunauer-emmet-teller (bet) 方法测量使用过的粉末的特定表面特性。收集液氮中的吸附-解吸等温线。在测量前将样品在150°c 下进行除气。</li>
	</ol></li>
	<li>聚合物树脂的选择
	<ol>
<li>例如, 选择单功能粘结剂 (1;见材料表) 和 di(2)-和 tetra(3) 功能交联剂 (见材料表) 和活跃在波长中的光引发剂 (4; 见材料表)使用的打印设备的光引擎, 在这种情况下是 405 nm。</li>
		<li>要获得更灵活的聚合物网络, 请使用塑化液 (5; 参见材料表)。</li>
	</ol></li>
	<li>陶瓷悬浮液的制备
	<ol>
<li>如有必要, 使用挥发性溶剂 (如乙醇绝对溶剂) 以及分散剂 (见材料表) 和氧化铝铣球对氧化铝粉末进行脱聚。<ol>
<li>为此, 将80% 的粉末与 20 wt% 的溶剂以及直径为 1-2 mm 的相同绝对质量状的磨球粉末混合在一起, 并根据粉末含量在0.5 至 2.0 wt 的范围内添加分散剂。</li>
			<li>在行星球磨机中磨出2小时的混合物 (见材料表), 使粉末变聚, 以达到主要的粒径。</li>
			<li>铣削后, 使用筛子 (网状500微米) 将粉末质量与磨球分离, 并在室温下在烟罩中干燥 12小时, 然后在110°c 的炉子烘干机中干燥24小时。</li>
			<li>将干粉通过筛子 (100-500μm) 研磨, 得到脱壳和功能化粉末。 注: 颗粒表面现在是功能化的分散剂所必需的稳定和低粘性悬浮液。</li>
		</ol>
</li>
		<li>适应所开发悬浮液的性能, 特别是动态粘度, 以适应印刷过程。在这里, 制备了四种不同的化合物, 并根据动态粘度及其固化行为进行了表征。通过改变组成, 产生了四种不同的化合物 (i、ii、iii 和 iv)。<ol>
<li>在化合物 i 中, 使用二、四功能交联剂之间的1.5 比例。使用完整交联剂与单功能粘结剂之间的比率为1.2。反应树脂的光引发剂含量为 1.3 wt%, 增塑剂的含量为用量的30%。在化合物 i 中, 使用 78 wt 的粉末含量。</li>
			<li>在化合物 ii 中, 将粉末含量提高到82%。</li>
			<li>在化合物 iii 中, 通过将二、四功能交联剂的比例改为 1.8, 增加四功能交联剂的用量。</li>
			<li>在化合物 iv 中, 将粉末含量降低到 75 wt%, 并将交联剂与单官能粘结剂的比例改为1.0。</li>
		</ol>
</li>
		<li>根据1.4.2 部分所述的 i 至 iv 化合物, 将不同的有机和光反应成分混合。将这些组件引入高速行星球磨机的罐 (见材料表), 并以 1, 000 转/分的速度将混合物均质为4分钟。此外, 还可以添加增塑剂, 以获得更高的聚合物固化后的灵活性。</li>
	</ol></li>
	<li>在聚合物混合物中添加粉末</li>
	<li>在三个级别对混合物进行同质化: 在 1, 000 转/分的 4分钟, 在 1, 500 转/分的 45秒, 在 2, 000 转/分的30秒。 注意: 在温度升高的情况下, 用水冷却罐。如有必要, 请重复第二次混合。</li>
	<li>悬浮液的特性
	<ol>
<li>将流变行为, 特别是动态粘度作为流动行为的特征值进行表征。测量设置应根据印刷工艺参数, 特别是铸造速度。<ol>
<li>使用带有孔板测量系统 (直径25毫米) 的流变仪, 可在-25°c 至200°c 之间调节 (见材料表)。</li>
			<li>将悬架的样品 (约1毫升) 放在板材上, 并按照流变仪的测量说明进行旋转测量。</li>
			<li>通过在20°c 的恒温下将0.01 至 1000 s-1 的剪切速率提高并测量扭矩来分析动态粘度。 注: 在此过程中, 悬架以 40 mm 的速度浇铸。因此, 剪切率大约为200s-1, 较低的印刷部件的运动, 并固定在建筑平台上, 在涂层悬架内。因此, 定义了流变测量的设置。</li>
			<li>确保悬浮液表现出动态粘度低于 600 p·s 的剪切变薄行为, 剪切速率为 0.1 s-1, 剪切速率低于10至 300 s-1.</li>
		</ol>
</li>
		<li>表征所开发悬浮液的固化行为。通过在曝光之前、期间和之后用光振荡测量 (波长为300至500纳米) 来分析固化行为。<ol>
<li>使用流变仪 (参见材料表),例如, 可在-25°c 至200°c 之间调节, 与蓝色 led 光源 (波长为 405 nm) 结合使用一个间隙为50μm 的平台/(玻璃) 板测量系统 (直径为25毫米)。</li>
			<li>使用分光光度计将 led 固定在 (玻璃) 板下方, 并调整强度, 使其符合打印强度 (约 33 mwcm2)。</li>
			<li>将大约1毫升的悬浮液样品放在 (玻璃) 板上, 并使用50μm 的间隙将测量系统的板移动到测量位置。</li>
			<li>通过使用频率为 10 rads 的恒定变形振幅 (例如 0.1% [0.09°]) 测量存储模量 g (复合剪切模量 g * 的一部分)。</li>
			<li>曝光前, 测量 g ' in 10 的间隔60秒。这代表了液体悬浮液的第一个 g ' 的平台。</li>
			<li>完成后, 使用蓝色 led (参见材料表) 在定义的持续时间内 (例如 1-4 秒)在60秒后开始曝光。在曝光期间和之后测量 g。g ' 增加由于暴露, 这表明聚合过程。根据曝光时间和悬浮液特性, g ' 在聚合过程中将增加到第二个平台。</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
</ol>2. 陶瓷 sla 制造单级和切割女性生殖器官成分
<ol><li>使用陶瓷 dlp-sla 打印设备。有关设备说明, 请参阅讨论。<ol>
<li>调查固化的深度。这一步对于确定浆料的固化能力 (即光的穿透深度和随后的聚合过程) 是必要的。为此:<ol>
<li>在一块透明箔上涂抹约1毫升的陶瓷填充树脂浆料 (步骤1.4 中准备), 借助铲子 (参见讨论)。使用具有高耐化学性的聚合物铲子 (例如, 尼龙玻璃纤维铲子)。</li>
			<li>将浆料中的铝箔放在印刷玻璃板上。</li>
			<li>project 使用 dlp-sla 打印设备, 在0.5 至4秒的范围内, 在固定的秒范围内进行光罩测试曝光。</li>
			<li>取出多余的未固化浆料。</li>
			<li>用千分尺测量固化层。固化后的厚度必须至少与所选建筑层相同, 但建议达到层厚度的数倍, 以提供足够的透光率。</li>
			<li>重复步骤2.1.1.1。2.1.1.5, 直到达到所需的固化厚度。</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>生产功能梯度材料部件, 如下所示。<ol>
<li>使用 cad 软件生成所需零件的三维模型。</li>
		<li>借助切片软件, 将三维文件切片到所需厚度的图层。打印系统的典型层厚度范围为25至 100μm. 以 *. sliced 格式保存切片文件。</li>
		<li>通过usb 或网络连接将 *. slc 文件传输到设备。</li>
		<li>创建打印程序并调整打印参数 (例如, 每层固化时间、传输速度 [铸造速度] 和构建平台速度)。</li>
		<li>用陶瓷浆料 (约200克) 将印刷设备的储罐填充到其容量的一半。</li>
		<li>运输泥浆以填充泵系统, 直到泥浆开始被泵回储集层。确保生成的浆料层的厚度是目标文件切片层厚度的数倍。</li>
		<li>使用真空泵的真空压力将印刷金属板连接到建筑平台上, 并将其集成到打印设备中。</li>
		<li>启动打印程序。 注意: 打印设备将自动传输浆料层。如有必要, 在印刷过程中填充浆料储层。</li>
		<li>打印程序完成后, 取出与产品一起打印的金属板。关闭真空泵, 同时按住板。</li>
		<li>用温和的有机溶剂 (如异丙醇) 清洗附着在产品表面的剩余浆料。薄薄的浆料层可能会粘附在零件的表面上, 并与表面较大的产品突出。</li>
		<li>在室温下在烟罩下擦干漂洗的产品。</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. 单级和 fgm 成分的共辩论和共烧结
<ol><li>按照以下步骤中的说明对绿色样本进行辩论。<ol>
<li>首先, 将样品放在比印刷部件的最终烧结温度至少高出50°c 的特殊窑炉家具上。通过这样做, 将被破坏的部件转移到另一个窑炉家具是没有必要的。</li>
		<li>在高达600°c 的空气气氛下, 在温度高达 600°c (例如, 加热速率为 7.5°c/) 的空气中, 在炉膛内执行较低的加热率 (见材料表) 的脱脂程序。在200°c、400°c 和600°c 的10小时下使用停留时间. 在600°c 至60°c 的温度下将加热速率提高到 900°c, 并使用2小时的停留时间. 冷却时间为 3-5°c/min。 注: 本周期以 tga-dsc 先前的定性为基础;然而, 一组不同的聚合物树脂组合物将需要更新的脱脂程序。这是陶瓷制造的关键一步, 不应忽视。 注: 在此阶段, 所有有机粘结剂材料都被热去除, 同时在同一步骤中启动氧化铝颗粒的预烧, 以便随后能够将样品安全地转移到烧结窑。</li>
		<li>将带有载体板的样品转移到烧结炉 (见材料表)。</li>
		<li>在空气气氛下, 在 1, 600°c 下, 在熔炉中烧结2小时的样品。使用3°c/min 的加热速率, 最高可达 900°c, 然后使用 1°c/min, 直到最终温度为 1, 600°c。 注: 组件的预期线性收缩约为 x、y 方向的 20%-25% 和 z 方向的 25%-30%。</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. 单级和功能分级组件的表征
<ol><li>用金刚石锯切割样品, 并使用陶瓷造影方法对表面进行抛光。<ol>
<li>使用 fesem 来研究微观结构 (见材料表)。 注: 目视检查两个功能分级相的孔隙率和所用材料的边界界面。若要获得更详细的结果, 请执行接口分析。如果孔隙率过高, 请优化悬浮液组合物 (第1节)、印刷参数 (第2.2 节) 和/或热处理 (第3节)。目标孔隙率低于1%。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Scheithauer, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-reactors+made+by+Lithography-based+Ceramic+Manufacturing+(LCM).">Micro-reactors made by Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM).</a> Ceramic Transactions. 258, (2016).</li><li>Scheithauer, U., Schwarzer, E., Moritz, T., Michaelis, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Additive+Manufacturing+of+Ceramic+Heat+Exchanger:+Opportunities+and+Limits+of+the+Lithography-Based+Ceramic+Manufacturing+(LCM).">Additive Manufacturing of Ceramic Heat Exchanger: Opportunities and Limits of the Lithography-Based Ceramic Manufacturing (LCM).</a> Journal of Materials Engineering and Performance. 27 (1), 14-20 (2018).</li><li>Homa, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+Prototyping+of+high-performance+ceramics+opens+new+opportunities+for+the+CIM+industry.">Rapid Prototyping of high-performance ceramics opens new opportunities for the CIM industry.</a> Powder Injection Molding International. 6 (3), 65-68 (2012).</li><li>Chartier, T., Badev, A., Somiya, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+Prototyping+of+Ceramics.">Rapid Prototyping of Ceramics.</a> Handbook of Advanced Ceramics. , 489-524 (2013).</li><li>Travitzky, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Additive+Manufacturing+of+ceramic-based+materials.">Additive Manufacturing of ceramic-based materials.</a> Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).</li><li>Hull, C. 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作者没有什么可透露的。

对于医用植入物, 原料必须纯度高, 理想情况下为99.9% 及更高。在该项目中, 使用了粒径分布较窄、平均粒径 < 0.5 微米、具体表面约为7米2/g 的非商业氧化铝粉末。或者, 也可以使用商业材料组合物。
为了达到这些特殊陶瓷聚合物浆料最合适的处理条件, 请使用上述印刷技术。该技术配备了运输箔系统, 将浆料从储罐输送到印刷区。打印区域由底部的透明玻璃表面组成, 在该表面下有一个投射切片层的光源。在打印区域的顶部, 有一个建筑平台, 可以通过 z 轴幻灯片垂直和向下移动。然后, 该产品挂在可通过真空吸力连接的金属印版表面, 挂在印刷区域上方。然后, 未使用的泥浆由雨刮器收集, 重新处理, 并泵送回原来的水库, 从而创建一个闭路电路, 使研究人员能够重复使用未用于构建三维模型的泥浆。为了适应不同的浆料成分和陶瓷填料, 可以改变不同的软件参数。打印机必须放置在具有受控光线、温度和湿度设置的房间中。房间必须配备外部光线的紫外线过滤器;此外, 建议温度在20-24°c 左右, 相对湿度低于40%。与供应商理论上的0.45 微米氧化铝材料分析相比, fesem 成像显示, 脱聚后氧化铝粉的平均粒径明显较大。这可以用聚集来解释。在干燥过程中, 在去聚步骤之后, 颗粒会重新聚集, 如图 1d所示。在悬浮液制备过程中, 由于表面功能化步骤, 可分散再团聚的颗粒。在图 3中, 在浆料的 fesem 成像中可以看到较小的表观颗粒大小。
关于流变特性, 陶瓷 sla 技术 (例如admaflex 技术) 的理想浆料应具有剪切变薄行为 (即在较高的剪切速率下降低动态粘度)。为了在支撑箔上进行最佳铸造或在点胶单元内使用, 动态粘度应保持在较低剪切速率的理想范围内。在低剪切速率下动态粘度过高的情况下, 由于缺乏流量来填补医生刀片下的间隙, 200 微米的浆料层的浇注可能会受到阻碍。如果动态粘度太低, 悬浮液可能会自行从叶片下方的储层流出, 或由于自然流动 (重力) 而远离支撑箔。对于所有被调查的悬浮液, 动态粘度随剪切速率的增加而降低。组合物1给出了最佳悬浮流行为 (图 2)。浆料成分的不同变化会影响悬浮液的流变行为。悬浮液化合物1在所需范围内实现了低动态粘度的最佳流动行为。粉末含量的增加或分散剂 (化合物 2) 的非最佳含量, 以及使用更多的多功能交联剂 (组合物 3) 改变粘结剂比, 导致动态粘度的增加,不利的过程。如果粉末含量较低, 再加上多功能交联剂含量较低, 再加上分散剂 (组合物 4) 的非最佳含量, 动态粘度就会大大降低, 可能导致不稳定悬 架。
在光照射下, 浆料的储存模量 g 的变化有助于了解更多关于悬浮液固化行为的信息。此外, 还对印刷设备本身的固化深度进行了实验测试。对具有最佳流变性能的氧化铝悬浮液在不同固化时间的固化行为进行了表征。在固化开始之前, 悬浮液显示出较低的 g ' 水平, 并显示低于100帕的值。当固化开始时, 光反应活性有机物的聚合可以通过 g 的增加推断到更高的水平。随着固化时间的增加, g 的斜率在 105至 107 pa 的范围内增加到最大值, 这取决于成分。固化时间为 1秒, 最终 g ' 在 106 pa 以下, 这不足以达到最低限度的必要强度。随着固化时间的增加, 更多的能量 (光子) 被提供给悬浮液, 这导致了更高的 g ' 由于更快和更高的转换程度 (更高的坡度)。开发的氧化铝悬浮液的最佳固化时间应在2至3秒的范围内。在固化时间为4秒的情况下, g ' 和固化斜率的最终水平具有较大的值, 高于 2 x10 6 pa.转换几乎是完整的, 几乎不存在未固化的聚合物。进一步的能源供应可能会导致浆料过度硫化和聚合物过度硬化, 从而导致脆性结构, 对产品与建筑平台的连接产生不利影响。
为这份手稿选择的单 fmt 测试组件是一个半上颌骨植入物结构, 包含一个致密的外壳和一个多孔骨状的中心核心, 如图 5所示。这种模型可以是辅助制造和烧结无缺陷, 如 fesem 成像所看到的。可实现精细结构和壁厚 (小于 0.1 mm), 在烧结过程中不发生明显变形。研究发现, 在一定的烧结温度下, 单氧化铝组分的微观结构是氧化铝陶瓷加工的典型, 晶粒尺寸均匀。与理论密度相比, 块区的孔隙率很低 (< 1%), 密度 > 99%。

高复杂的技术陶瓷在几乎每个应用领域都越来越受到需求, 包括许多工业领域。由于每个患者的产品易于个性化, 人类医疗领域的应用越来越多。在过去的十年里, 添加剂制造增强了个人医疗的选择。
添加剂制造 (am) 是一种处理技术, 它允许通过按顺序添加材料将计算机生成的三维模型转换为物理产品。一般来说, 一系列的二维图层形成一个堆栈, 形成三维形状, 允许生产具有前所未有的设计自由度的组件。这被认为是最先进的聚合物和金属成型技术。陶瓷加工的第一批工业技术有1,2, 几乎所有已知的 am 技术都用于世界各地实验室的单材料陶瓷 am3,4, 5。am, 特别是立体平版印刷, 始于 20世纪80年代, 由 hull6开发。不同的制造方法和材料会导致各种产品性能, 如尺寸、粗糙度或机械性能。所有的添加剂制造技术都可以分为两类: 直接添加剂制造技术5, 这些技术基于材料的选择性沉积 (例如, 直接喷墨等材料喷射工艺)印刷或热塑性三维印刷 [t3dp]7、8、9、10和间接添加剂制造技术, 这些技术基于材料的选择性整合它沉积在整个层 (例如, 陶瓷立体平版印刷 [sla])。
新应用的复杂性和准备程度要求改进 am 陶瓷加工技术。例如, 特殊的创新工业或医疗应用必须在同一组件中包含不同的属性, 从而产生功能分级材料 (fgm)。这些材料包括与微观结构或材料11中的过渡有关的各种特性。这些转换可以是离散的, 也可以是连续的。已知有不同种类的 fgm, 例如具有材料梯度或分级孔隙率的组件, 以及多色组件。切割女性生殖器官的成分可以通过单一的常规成型技术制造,12、13、14、15、16、17, 也可以通过这些技术的结合制造,例如, 通过模内贴标作为胶带铸造和注塑的组合18,19。
为了将 am 的优势与 fgm 的优势与基于陶瓷的4-d 组件20 (几何尺寸的三维尺寸和每个位置的材料特性的一个自由度) 结合起来, admatec europe 开发了基于立体平版印刷的三维打印设备在 "ceram高技术" 欧洲研究项目中的 am 的多功能或多材料组件。
适用于切割女性生殖器官成分的技术是一种基于立体平版印刷的方法, 它采用数字光处理器 (dlp) 作为光源, 其中包含一个数字微镜设备芯片 (dmd), 用于聚合可与不同粉末混合的树脂。dmd 芯片有一个由几十万面镜组成的阵列, 这些反射镜对应于要显示的图像中的像素。可以单独旋转镜像, 以设置像素的开关位置。最常用的树脂是基于丙烯酸酯和/或聚氨酯单体的混合物。在这些混合物中, 我们还发现了其他添加剂, 如吸光光引发剂分子和染料。树脂混合物通常被倒进容器或浴缸, 也被称为大桶。聚合是由光引发剂分子 (pi) 与 dmd 芯片产生的光光子反应引起的。不同的树脂单体结构可能会导致不同的聚合速率、收缩率和最终结构。例如, 使用单官能单聚物与多官能单体的使用会对聚合物网络的交联产生影响。
陶瓷 sla 需要考虑的最重要的参数之一是光 (光子) 穿过不同材料时产生的光散射效应。这是高度影响;在这种情况下, 树脂与一定数量的粉末结合产生悬浮液或浆料。因此, 浆料是由对光线表现出不同折射率的材料组成的。树脂和粉末的折射率值之间的很大差异会影响层的尺寸精度、聚合速率以及触发聚合反应的总光剂量。当光线进入悬浮液时, 粉末颗粒 (即陶瓷、金属或其他聚合物) 在光路径上衍射。这种效应导致 (辐照) 光子的原始路径发生变化。如果光子的轨迹斜向曝光方向, 它们可能会在可以横向到原始方向的位置产生聚合反应。当固化浆料的面积大于暴露面积时, 这种现象会导致过度暴露。同样, 当固化的浆料层小于最初暴露的区域时, 它也会被暴露不足。
在手稿中, 介绍了利用 admaflex 技术实现的氧化铝成分的 am 组合致密和大孔结构的研究。正如 "陶瓷制造" 欧洲研究项目所解释的, fgm 陶瓷部件的生产需要高分辨率和良好的表面性能, 以满足苛刻的应用要求。dlp 立体平版印刷技术, 如这里描述的技术, 使研究人员能够获得这种基于陶瓷的、功能齐全的成分。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Taimicron (TM-100D)</td>
			<td>Taimei Chemicals Co Ltd., Japan</td>
			<td>&#8230;</td>
			<td>alumina (commercial)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BYK LP C22124</td>
			<td>BYK-Chemie GmbH, Germany&#160;</td>
			<td>&#8230;</td>
			<td>dispersant&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mastersizer 2000</td>
			<td>Malvern Instruments Ltd., United Kingdom</td>
			<td>&#8230;</td>
			<td>laser diffractometer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TriStar 3000</td>
			<td>Micromeritics Instrument Corp., USA</td>
			<td>&#8230;</td>
			<td>adsorption/desorption</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pulverisette 5/4 classic line</td>
			<td>Fritsch GmbH, Germany</td>
			<td>&#8230;</td>
			<td>planetary ball mill</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thinky ARV-310</td>
			<td>C3-Prozesstechnik, Germany</td>
			<td>&#8230;</td>
			<td>high-speed planetary ball mill</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Modular Compact Rheometer MCR 302&#160;</td>
			<td>Anton Paar, Graz, Austria</td>
			<td>&#8230;</td>
			<td>rheometer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV-LED Smart</td>
			<td>Opsytec Dr. Gr&#246;bel GmbH, Germany</td>
			<td></td>
			<td>blue LED&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>prototype</td>
			<td>Admatec, Netherland</td>
			<td>&#8230;</td>
			<td>Admaflex</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NA120/45</td>
			<td>Nabertherm, Germany</td>
			<td>&#8230;</td>
			<td>debinding furnace</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LH 15/12</td>
			<td>Nabertherm, Germany&#160;</td>
			<td>&#8230;</td>
			<td>sintering furnace</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gemini 982&#160;</td>
			<td>Zeiss, Germany&#160;</td>
			<td>&#8230;</td>
			<td>FESEM</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

additive manufacturing of functionally graded ceramic materials by stereolithography

采用添加剂制造技术获得功能梯度陶瓷零件。这项基于数字光处理系统平版印刷的技术是在 ceram与此同时欧洲研究项目的范围内开发的。三维 (三维) 半上颌骨状结构是使用定制的氧化铝聚合物混合物三维打印。粉末和混合物在流变行为方面进行全面分析, 以确保在印刷过程中正确处理材料。本文档解释了使用 admaflex 技术打印功能分级材料的可能性。现场发射扫描电子显微镜 (fesem) 表明, 烧结氧化铝陶瓷部分的孔隙率低于 1%, 分析后未发现原层状结构的剩余部分。

对于单材料部件的生产, 以及最终通过在宏观范围内的致密和多孔截面的组合进行功能梯度结构的生产, 只使用了基于氧化铝的悬浮液。
分散后使用的氧化铝粉的平均粒径(d50) 的测量结果为0.47 微米。这一结果与供应商提供的实际粒径0.45 至0.5μm 的给定信息相关。图 1B显示了制备前氧化铝粉末的 fesem 分析, 图1 b 详细显示了颗粒表面的 fesem 图像。图 1c和图1C 显示了处于干燥状态的脱聚氧化铝的相同情况。未经处理的粉末不是单个原生颗粒, 而是大球形颗粒 (直径可达 100μm), 这是干压原料的典型条件。颗粒表面的 fesem 图像显示, 氧化铝的原生颗粒未经处理 (图 1 b) 和脱结块 (图 1B), 实际粒径约为0.45μm。
图 2显示了基于氧化铝粉末的氧化铝粉末的动态粘度, 这取决于剪切速率的函数--对数表示--并取决于不同粉末含量的不同成分, 粘结剂分散剂的比例和含量。所有悬浮液成分均表现出剪切稀薄行为, 但动态粘度水平不同。
悬浮物的均匀性如图3所示, 带有一层薄薄的陶瓷-聚合物树脂的 fesem 图像。当聚合物树脂在一定程度上没有被电子探测器检测到时, 陶瓷原生颗粒出现清晰。
图 4显示了存储模量 g 作为将固化行为描述为取决于时间的时间函数。打印设备的可调参数有助于评估打印过程中的固化时间。一般情况下, 悬架显示一个恒定的 g ' s 水平低于 1, 000 帕稳定的变形。在60秒后开始的悬浮液曝光期间, g ' 根据曝光时间的不同而增加 (在1到20秒的范围内变化), 达到 105 pa以上的 g ' 的更高水平。在图中, 曲线表示悬浮液的不同曝光时间, 以显示对固化聚合物陶瓷复合材料强度的影响。
采用 admaflex 技术的陶瓷 sla 打印设备, 通过运输系统可以处理高粘度陶瓷泥浆。切割女性生殖器的部分可以通过像素控制来构思, 该控件为网络的每个部分指示辐照光。曝光不足和过度曝光的效果可以通过相同的像素/像素控制功能来补偿。此外, 还开发了一个软件套件, 用于识别不同的截面 (多孔和致密), 以补偿每个暴露区域的光行为差异。这种专有技术为这些部分提供了适应的光固化策略。
采用组合物 1 (图 2) 中所述的具有动态粘度行为的悬浮液, 在对器件参数进行经验测定后, 制备了具有三维结构的单组分 fgm。图 5a显示了一个复杂的三维模型,图 5A显示了基于研究计划中额外制造的氧化铝悬浮液的烧结测试结构。
图 6显示了致密部分内单材料 fgm 成分微观结构的 fesem 图像;孔隙率在宏观范围内。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57943/57943fig1.jpg"> 图 1: fesem 图像.前两个面板显示场发射扫描电子显微镜图像 (a) 原始氧化铝粉末和 (b) 表面细节。接下来的两个面板显示了 (c) 脱胶后粉末颗粒的场发射扫描显微镜图像和 (d) 表面细节。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57943/57943fig1large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57943/57943fig2.jpg"> 图 2: 动态粘度作为不同开发悬浮液的剪切速率的函数, 取决于其组成.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57943/57943fig2large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57943/57943fig3.jpg"> 图3:领域发射扫描电子显微镜图像中的陶瓷树脂悬浮液.该图显示了聚合物树脂上粉末悬浮液的均匀性。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57943/57943fig4.jpg"> 图 4: 存储模量 g ' 作为几个不同成分的悬浮液的时间函数。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57943/57943fig5.jpg"> 图 5:3-d 建模和打印.(a) 该面板显示了单材料功能分级陶瓷材料组件的三维模型。(b) 此面板显示打印过程的烧结结果。
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57943/57943fig6.jpg"> 图 6: 现场发射扫描电子显微镜图像的烧结氧化铝结构.(a) 此面板显示概述。(b) 此面板显示详细图像。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57943/57943fig6large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>

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Additive Manufacturing of Functionally Graded Ceramic Materials by Stereolithography

立体平版印刷法对功能分级陶瓷材料的添加剂制造

本手稿描述了由立体平版印刷制造的单个多功能陶瓷部件 (例如, 致密多孔结构的组合) 的加工过程。

An additive manufacturing technology is applied to obtain functionally graded ceramic parts. This technology, based on digital light ...

使用无石版基陶瓷制造技术，对功能分级陶瓷组件进行增材制造，有助于开发创新功能优化的医用植入物结构。这种增材制造技术的主要优点是分辨率高。采用立体光刻方法制造陶瓷部件可提供高精度和高密度部件。对于本程序，使用高纯度陶瓷粉末，胺粒径小于0.5微米，颗粒大小分布较窄，特定表面积约为每克7平方米。在研磨碗中，将粉末和绝对乙醇以 80 到 20 的质量比混合。以相等的质量加入一到两毫米直径的磨球， 以相等的质量加入粉末。然后，根据粉末数量，按分散剂的重量添加约0.5至2%。在行星球磨机中，以 250 RPM 的转速磨削混合物 2 小时。之后，使用具有 500 微米开口的 siv 拆下磨削球。让悬架在室温下在烟罩中干燥 12 小时，然后在 110 摄氏度下进一步干燥 24 小时。用 100 到 500 微米的网眼开口研磨干燥材料，以获得脱光功能化粉末。接下来，在高速行星球磨机的容器中，将一个在打印设备中使用的波长激活的光启动器、有机交链接器和粘合剂以及增塑剂混合在一起。加入5至10磨球的陶瓷材料直径为5至10毫米。在 1000 RPM 下使混合物均质 4 分钟。然后，将粉末引入混合物中，在 1000 RPM 下均匀化 4 分钟，在 1500 RPM 时为 45 秒，在 2000 RPM 时为 30 秒。之后用水冷却水箱。如果混合物出现不均匀，请重复此过程。接下来，将大约 1 毫升的陶瓷填充树脂浆放在流变仪的板上，用于旋转测试。在测量扭矩时，在 20 摄氏度的恒定温度下将剪切速率从 0.1 秒提高至 1000 秒。确认悬架显示剪切变薄行为，动态粘度低于 600 pascal 秒，剪切速率为 0.1 倒数秒，剪切速率低于 10 分差秒 10 至 300 帕斯卡秒。最后，通过暴露在紫外光下进行振荡测量，评估固化行为。设置数字光处理立体光刻打印装置。确认固化深度至少与所选建筑层相同，最好厚几倍。然后，使用计算机辅助设计软件生成组件的 3D 模型文件。将组件模型切成适当厚度的图层，然后以四面线轮廓格式保存文件。通过网络或 USB 将此文件传输到打印设备。创建打印程序并设置每层固化时间、铸造速度、构建平台速度等参数。然后，用准备好的陶瓷树脂浆料填充印刷装置储液罐约一半。泵送泥浆通过系统，直到它开始重新加注储液罐。通过真空吸附金属印版到建筑平台，然后开始打印程序。在打印过程中根据需要重新填充储液罐。完成后，在握持印版取回组件时关闭真空。使用异丙醇或其他温和的有机溶剂来清除剩余的泥浆，然后在通风区域的室温下使部件干燥。之后去绑定和烧结组件，以完成制造。这种高纯度的氧化铝粉被除粉，并具有不饱和度的功能。干燥后，功能化粉末重新聚集，但在聚合物树脂中均匀地重新分散。对不同粉末含量的悬浮组合物，评价了二、四功能交链接比和整体活页夹交叉链接比。所有四个悬架都有所需的剪切变薄行为，但只有组合一个表现出最佳的悬架流行为。如果动态粘度过高，则由于缺乏流量，可能会阻碍薄浆层的铸造。动态粘度过低可能导致泥浆在铸造刀片下自由流动，或悬架不稳定。在将陶瓷树脂悬浮液暴露于光线之前，剪切存储模量大致保持不变。达到最小必要强度的最佳固化时间是两到三秒。暴露超过四秒钟可能会导致过度固化导致脆性。该测试组件采用最佳的铝浆成分和暴露时间，具有密集的外壳和多孔骨型中央芯，具有无缺陷，在散装区域具有极低的孔隙度和高密度。本文介绍的技术设计用于处理粘胶陶瓷树脂混合物，以达到制造功能分级材料所需的高精度。该技术为陶瓷制造成果开发光反应陶瓷悬浮液铺平了道路。它们可用于利瑞卡自由基陶瓷添加剂制造，以生产高品质的陶瓷组件。

Research

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