Forskere reducerer kraftigt den tid, der kræves til glas- og keramisk 3-D-print

Fremstilling af komplekse keramiske eller glasstrukturer via stereolitografi, en type 3-D print, har længe været holdt tilbage af tiden i bagenden af ​​processen, hvilket kan være op til to dage. En ny teknik reducerer nu denne tid til mindre end fem timer.

Stereolitografi udskriver objekter fra CAD-filer ud af et pulver suspenderet i en væske. Objekter bygges lag for lag ud af denne væske ved at lade en laser skinne ind i væske- og pulversuspensionen, som kaldes et kolloid. (Mælk, for eksempel, er også et kolloid, men en lavet af mælkefedt suspenderet i vand)

Laseren får nogle af de lysfølsomme partikler til at samle sig, eller "krydsforbindelse, "og danner lag lavet af partikler indlejret i polymerer (lange kæder af molekyler) - en hærdningsproces kaldet "hærdning." Laseren "skriver" i virkeligheden lag i den flydende suspension, og disse lag, udskrevet oven på hinanden, danner et 3D-objekt sammensat af bindemidlet og pulveret.

Keramik eller glas stereolitografi rummer potentialet til at fremstille dele med meget mere nøjagtige og komplekse geometrier, som tidligere var umulige, inklusive hule genstande eller dem med indviklede indre strukturer, der kan reducere vægten og samtidig bevare styrken. En sådan kompleksitet af keramik- og glasdesign tilbyder en række nye biomedicinske, strukturel, og energisystemapplikationer.

Den helbredte genstand, kaldet "grøn", når den er blevet udskrevet, udsættes for et par yderligere trin ved høj temperatur:afbinding, eller fjernelse af dets bindemidler; og sintring, hvor pulverpartiklerne er smeltet fast sammen. Efter afbinding, genstanden kaldes "brun, ", og det færdige produkt kan opnås efter sintring.

Imidlertid, for at undgå strukturelt sammenbrud under denne proces som følge af produktionen af ​​gasbobler, der kan knuse den stærke, men sprøde keramik eller glas, afbinding og sintring udføres ekstremt langsomt, tager typisk op til 48 timer.

"Indtil nu, denne tidskrævende og dyre begrænsning har begrænset 3-D-printede glas- og keramiske dele til højt specialiserede applikationer, " sagde Motoyuki Iijima, en ingeniørforsker ved Yokohama National University, hvis team har udviklet en ny kolloidopskrift, der kraftigt reducerer den nødvendige tid til afbinding og sintring.

"Det, du ønsker i stedet, er at komme tættere på hastigheden af ​​konventionel glas- eller keramikproduktion, men kombineret med den kompleksitet, der tilbydes af 3-D-print og lignende additive fremstillingsprocesser."

Forskerholdet offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Kommunikationsmaterialer den 20. maj.

For at bevise deres opskriftskoncept, forskerne ville fremstille gennemsigtigt glas. Denne særlige kolloidopskrift tager silicapartikler (SiO ₂ ) der er blevet modificeret med polyethylenimin (en type polymer) og oliesyre, en type fedtsyre, der forekommer i mange animalske og vegetabilske fedtstoffer eller olier. Disse partikler blandes derefter i et alkoholbaseret opløsningsmiddel sammen med en foto-initiator, opskriftens ingrediens, der er lysfølsom og igangsætter hærdningen.

Afgørende, opskriften tillader også en mindre end normalt mængde monomerer, de partikler, der udfører tværbindingen, sammenlignet med konventionel glas og keramisk stereolitografi, og tilskynder til mere tværbinding af andre partikler.

Normalt, den store mængde monomerer kræver den langsomme afbindings- og sintringsproces, fordi en hurtig afbrænding af monomerer ville generere den gas, der truer objektets struktur. Ved kun at bruge små mængder monomerer i kolloidet, det lykkedes forskerne at få afbindings- og sintringstiden ned på under fem timer.

Efter at have demonstreret hastigheden af ​​denne proces for gennemsigtigt glas, forskerne ønsker nu at udvide opskriften på flydende suspension, med sin korte behandlingstid, til enhver form for keramik eller glas.