Vat polimerizációs eljárással történő kerámia 3D-nyomtatás rendkívül bonyolult, összetett alkatrészek előállítását teszi lehetővé, melyek rendelkeznek a technikai kerámiaanyagok keresett mechanikai tulajdonságaival. A 3D nyomtatás olyan kerámia alkatrészeket eredményez, amelyeket nemcsak lehetetlen lenne gyártani a hagyományos kerámiaválogatási módszerekkel, de sokkal olcsóbbak és gyorsabbak is.
A vat polimerizáció egy 3D nyomtatási technológia, amelyet általában fotopolimer gyantákkal társítanak, de használata technikai kerámiákkal (pl. alumina, cirkónium, szilícium-karbid, szilícium-nitrid, bórnitrid stb.) is egyre elterjedtebb.
Ezek a fejlett kerámiaanyagok kiemelkedő tulajdonságaikról ismertek, például a magas hőmérsékleti ellenállás, a keménység, a kémiai inerzia, a magas kopásállóság a fém és műanyaghoz képest, valamint elektromos és hőszigetelési képességek. Ezeket az anyagokat ipari tervezésekbe integrálják, amikor olyan körülmények között van szükség egy anyagra, amely erős és megbízható.
A technikai kerámiák hő-, elektromos és biokompatibilis tulajdonságai lehetővé teszik számukra, hogy különféle szenzorokban és mechanikai tömítésekben használják őket az autóiparban, csontimplantátumok és fogpótlások alkalmazásával az orvosi iparban, és hőpajzsokként űrszondákhoz, magas pontosságú öntvényekhez fém alkatrészekhez, egy növekvő alkalmazási lista között.
Ezen okokból kifolyólag a globális kerámia 3D-nyomtatóipar, ami nemcsak a vat polimerizációt foglalja magában, 2022-ben 1,9 milliárd dollárt termelt, és a várakozások szerint 2032-re 12,7 milliárd dollárt fog generálni, derül ki az Allied Market Research új jelentéséből.
A hagyományos kerámiagyártási módszerek általában költséges formákkal vannak összefüggésben, ami kis méretű kerámiarészek gyártását gazdaságosan nehezen kivitelezhetővé teszi. A kerámia additív gyártás ezt a problémát megoldja azzal, hogy egyedi kerámiaalkatrészeket biztosít alacsonyabb költségen és csökkentett szállítási idővel. A 3D-nyomtatott kerámia nagyobb rugalmasságot kínál a hagyományos módszerekhez képest, és olyan formákat képes létrehozni, amelyek korábban nem voltak lehetségesek.
Ebben a cikkben különböző alkalmazásokat vizsgálunk meg a kerámia vat fotopolimerizációjának és a folyamat különböző szakaszainak, valamint bizonyos szempontoknak. De először nézzük meg a kontextust.
Miért válik népszerűvé a Vat fotopolimerizáció?
Többféle technológia is rendelkezésre áll a kerámiaadalékos gyártáshoz, például kötőanyag-sugárzás, direkt festékírás és szelektív lézeres szinterelés. Azonban ezek a technológiák nem alkalmasak sűrű alkatrészek előállítására, így a felhasználásuk korlátozott. A kádas fotopolimerizáció viszont a legfejlettebb adalékos gyártási technológia a kerámiák számára, amely lehetővé teszi sűrű szerkezeti elemek előállítását.
Bár az eljárást lehet kategorizálni a fény mintázatának kialakítása vagy a fényforrás alapján, ebben a cikkben nem fogjuk megkülönböztetni a tartályos fotopolimerizáció különböző típusait, mivel mindegyik alkalmas kerámiák gyártására.
Ebben a kontextusban a kerámia tartály fotopolimerizáció kiemelkedik, mivel képes magas teljesítményű alkatrészeket létrehozni kiváló felbontással és felületminőséggel. Az ISO/ASTM 52900:2015 szerint a tartály fotopolimerizáció egy olyan „additív gyártási folyamat, amelyben a folyékony fotopolimer egy tartályban fény által aktivált polimerizációval szelektíven megkötődik”, mint például a jól ismert DLP vagy SLA eljárások, amelyeket gyanta alapú 3D nyomtatók használnak.
Az alapanyagok, felszerelések és utófeldolgozási lépések komplex kihívások elé állítják a vat fotopolimerizációs eljárással történő kerámia 3D nyomtatást. Az alkalmazások terén azonban mélyebbre ásnánk, mielőtt részletesen megvizsgálnánk a feldolgozási folyamatot.
Alkalmazások
A kerámia vat fotopolimerizáció lehetővé teszi testreszabott kerámia alkatrészek gyártását, növelt geometriai szabadsággal és alacsonyabb költségekkel. Így olyan termékek valósulhatnak meg, amelyek más gyártási módszerekkel nem lennének megvalósíthatók. Ezen eljárás előnyeit több terület is kihasználta. Az alábbiak néhány példa közülük.
Fogászat
A fogászati iparban a kerámia vat fotopolimerizációt alkalmazzák különböző kerámia fogászati helyreállítások létrehozására (például koronák, hídszerkezetek). Ezeket a folyamatokat zirkónium, alumínium-oxid és üveg-kerámia anyagokkal vizsgálták. Emellett már elérhetők olyan kereskedelmi megoldások is, amelyek teljesen anatómiai koronákat kínálnak minimálisan invazív helyreállításokhoz, tökéletes esztétikával és erősséggel.
Szövettechnológia
A szövettechnológia területen a biokerámiából készült testre szabott vázak gyártása a csontrekonstrukcióhoz jelentős lehetőséget kínál. A kerámia vat fotopolimerizáció lehetővé teszi a természetben előforduló struktúrák, például a marhacsonti trabekuláris csont, összetett geometriájának és kémiai összetételének imitálását. Olyan alkalmazások, mint a koponya vagy az állkapocs implantátumok, már lehetségesek és jelenleg kereskedelmi forgalomban lévő megoldások is elérhetők.
Precíziós öntvények
Az Aristo Cast, egy az Egyesült Államokban székhellyel rendelkező precíziós öntvényekkel foglalkozó vállalat, kidolgozott egy megközelítést a hagyományos precíziós öntvényezési folyamat forradalmasítására, az Admaflex által gyártott kerámia vat polimerizációs 3D-nyomtató alkalmazásával. A hagyományos kerámia öntvényezési folyamat igen munkaigényes és időigényes a mártási folyamat miatt. Összesen nyolc réteg szükséges egy kerámia héj elkészítéséhez, mielőtt öntésre készen állna, ahol az első réteg a legfontosabb, mivel meghatározza a végső termékkel elérhető finom részletek minőségét és felületi kialakítását. Azonban ezt a folyamat korai szakaszában nehéz meghatározni a verifikáció képességének hiánya miatt. Ezt a problémát a 3D-nyomtatás megoldotta, eltüntetve az időigényes hagyományos folyamat öt lépését. Ezenkívül már nem szükséges drága injekciós formákat vagy 3D-nyomtatott mintákat előállítani, mivel a héjakat közvetlenül lehet nyomtatni. Jelentős előny, hogy a rétegek száradása közötti probléma megoldódik, mivel már nincs rá szükség, ezáltal a gyártási idő akár 75%-kal is csökkenthető.
Egyéb mérnöki alkalmazások
Mérnöki alkalmazások során a jobb teljesítmény elérése érdekében geometriai optimalizációval lehet számolni különböző területeken, mint például katalitikus alkalmazások (az autóipartól a biokatalitikus alkalmazásokig) és hőcserélők. Így az egyedi alkotóelemek használata minden esetben nagyobb hatékonyságot ér el folyamatokban, növeli a nyereséget és új alkalmazásokat tesz lehetővé.
Következőként áttekintjük a kerámia vat fotopolimerizációs folyamatot, kezdve az anyagellátással.
Nyersanyag
A kerámia 3D nyomtatók beszállítói már kínálnak nyersanyagokat, amelyek kompatibilisek az eszközeikkel. Ennek eredményeként már számos kerámia adalékanyag kereskedelmi forgalomban kapható, mint például az alumínium-oxid, cirkónium-oxid és hidroxiapatit. Emellett számos kutató világszerte azon dolgozik, hogy javítsa ezeknek a nyersanyagoknak a fejlesztését és optimalizálását, és néhányan ígéretes kerámia szuszpenziók receptúráit érték el a vat fotopolimerizációhoz.
A kerámia kádas fotopolimerizációs alapanyaga fényérzékeny gyanta, kerámiapor és adalékanyagok keverékéből álló szuszpenzió. A szuszpenziónak meg kell felelnie az eljárás követelményeinek, nevezetesen nagy mennyiségű kerámia töltőanyaggal és mérsékelt viszkozitással kell rendelkeznie.
Azonban mindkét követelménynek való megfelelés kihívást jelent, mivel minél több szilárd anyagot tartalmaz a szuszpenzió, annál magasabb lesz a viszkozitás. Ezenkívül fontos, hogy a szuszpenzióban szinte ne ülepedjen le anyag.
Több olyan követelménynek is meg kell felelni, amelyek a szuszpenzió folyási tulajdonságaira vonatkoznak. Ezért gondosan meg kell választani a szuszpenzió összetevőit. Például a kerámia részecskéknek megfelelő részecskeméretet és specifikus felületet kell biztosítaniuk, és hatékony diszpergálószert kell választani a gyanta és a kerámia por közötti kölcsönhatás elősegítésére, többek között.
Ezenkívül megfelelő előkészítést kell alkalmazni egy homogén szuszpenzió előállításához. A nyersanyagok keverékét általában több órán keresztül golyósdarálóban dolgozzák fel.
3D nyomtatók
A kerámia szuszpenziók magas szilárdságtartalma miatt a nyersanyagok sűrűek és viszkózusak. Ez a tulajdonság nehezíti a vat fotopolimerizációs folyamat során a rétegek kialakítását. Ennek eredményeként a legtöbb kereskedelmi gyanta alapú 3D nyomtató eredetileg nem fejlett kerámiák gyártására lett tervezve. Ezekhez az anyagokhoz általában speciális berendezéseket és kifejezetten erre a célra kialakított rétegező rendszereket használnak.
Bár a kerámia szuszpenziós fotopolimerizációs 3D nyomtatók többsége az elmúlt öt évben került előtérbe, már régóta működő, elismert vállalatok is jelen vannak ezen a területen, mint például a Lithoz és a 3DCeram. Azonban fontos megjegyezni, hogy ezek ipari gépek, amelyek ára korlátozhatja a technika széles körű elterjedését.
Másrészről a házi készítésű prototípusok és a mindennapi használatban lévő gyantanyomtatók (amelyeket általában gyantadarabok gyártására használnak) alkalmazása is növekvő fontossággal bír, és elősegítheti a technika elterjedését laboratóriumokban és kisiparokban. Azonban az olyan nem ipari 3D nyomtatóknak, amelyeket általában alacsonyabb kerámiaszuszpenzióval használnak, jelentős felhasználási korlátai vannak, és ennek következtében az elkészült alkatrészek mechanikai tulajdonságai csökkenhetnek.
Utófeldolgozás
A kerámia szuszpenziós fotopolimerizáció egy közvetett folyamat, ami azt jelenti, hogy először létrejön egy „zöld test”, ami kerámia porokat és kötőanyagot tartalmaz, majd későbbi lépéseken kell átmennie, hogy a végső kerámia alkatrész létrejöhessen. Ezt követően egy hőkezelési folyamat következik, ami egy kemencében zajlik, ami a fejlett kerámia feldolgozásában hagyományos eszköz. Ez a folyamat képen is látható.
Első lépésként a kötőanyag (gyanta és adalékok) hőbomlás útján eltávolításra kerül. Ezt követően pedig a szinterelési folyamat indul, amikor a testeket magas hőmérsékletnek (amely akár meghaladhatja a 1500 °C-ot) teszik ki. Ebben a lépésben a részecskék nem olvadnak meg teljesen, de a kerámia alkatrészek sűrűségét növelik a folyamat során.
A fentebb leírt és bemutatott utófeldolgozási folyamat kulcsfontosságú szerepet játszik a kerámia alkatrészek előállításában. A 3D nyomtatott „zöld” alkatrész jelentős mennyiségű szerves anyagot tartalmaz, amelyet el kell távolítani. Ezért elengedhetetlen, hogy megfelelő hőmérsékleti szinteket alkalmazzunk, hogy elkerüljük a hibákat, amelyek az alkatrészek teljesen eltörésétől és deformálódásától az emberi szem számára láthatatlan repedésekig terjedhetnek, de amelyek ronthatják az elkészített komponensek tulajdonságait is.
Az utófeldolgozás időigényes fázis, amely több órát is igénybe vehet, és sok kutatás történt annak optimalizálása érdekében. Az egész folyamat időtartama számos tényezőtől függ, például a rész geometriájától, a használt kötőanyag mennyiségétől, a kötőanyag hőbomlásának jellemzőitől és még számod dologtól.
Ezenkívül a vastagabb szakaszok leválása repedéseket okozhatnak, mivel a vastagság befolyásolhatja a hőbomlási folyamatot. Ezen okok miatt a szállítók 10 mm-t megadnak maximális falvastagságként azoknál az alkatrészeknél, amelyeket kerámia vat fotopolimerizációval kívánnak előállítani.
Eredeti forrás: All3dp.com
