Extrusiegebaseerd 3D printen van keramische materialen

Matthias

Faes

Extrusiegebaseerd 3D-printen van hoogtechnologische keramische materialen

Inleiding

Technische keramieken winnen door hun unieke combinatie van fysische en chemische eigenschappen aan belang in het huidige industriële landschap. Zo combineren ze bijvoorbeeld een uitermate hoge mechanische sterkte met een uitstekende weerstand tegen hoge temperaturen en agressieve chemische omgevingen. Dit maakt deze groep van materialen bijvoorbeeld uitermate geschikt voor langdurig gebruik in een warme, vochtige omgeving[1,2]. De manier waarop de dag van vandaag stukken uit deze materialen gemaakt worden, is echter te duur, tijdrovend en arbeidsintensief. Ook is het niet mogelijk om stukken met een zeer complexe vorm te produceren. Door daarentegen keramische componenten met behulp van 3D-printen te produceren is het wél mogelijk om goedkoop en snel complexe componenten te produceren uit hoogtechnologische keramische materialen, zodat bijvoorbeeld een gepersonaliseerd kunstgebit gemaakt kan worden[3,4].

Extrusiegebaseerd 3D-printen kan het beste vergeleken worden met het leggen van chocolade op een taart. Het toevoermateriaal (de chocolade) komt uit een reservoir (de chocoladespuit) en wordt hier door middel van een druk uitgeperst. In dit onderzoek is het toevoermateriaal een mengsel van keramisch poeder (Zirconium-dioxide) en een lijm die uithardt onder invloed van UV-licht. Dit mengsel wordt in een spuit gestopt en hier met behulp van een ram uitgeperst. Het mengsel wordt in een bepaald patroon op een bouwplatform gedeponeerd tot een laag van de uiteindelijke component opgebouwd is. Onder invloed van intensief UV-licht wordt de lijm in het gedeponeerde mengsel uitgehard, waardoor de keramische poederdeeltjes op een bepaalde plaats vastgezet worden. Wanneer deze laag afgewerkt is, zakt het bouwplatform over een bepaalde afstand (de laagdikte) en wordt bovenop de eerste, uitgeharde, laag een nieuwe laag gedeponeerd. Dit proces wordt herhaald tot de gehele component is opgebouwd. De opgebouwde component bevat naast het keramische poeder ook nog een aanzienlijke hoeveelheid lijm, waardoor in deze fase van het proces ook over een ‘groen product’ gesproken wordt. Na het printproces wordt de lijm ‘uitgebakken’ uit het groene product waardoor alleen keramisch poeder overblijft. Dit poeder wordt vervolgens ‘gesinterd’: de korrels worden aan elkaar gebakken, opdat een keramische component verkregen wordt. Voordelen van het extrusiegebaseerd 3D-printen zijn dat het zeer materiaalzuinig is en dat geen dure machines nodig zijn (zoals bijvoorbeeld voor spuitgieten). Door te werken met UV-uithardbare lijm kan een hoge nauwkeurigheid behaald worden tegenover andere 3D-print technieken.

Onderzoek

In een eerste stap van het onderzoek is gekeken naar de ‘deponeerbaarheid’ van verschillende geprepareerde mengsels. Ten eerste moet het mengsel van het poeder en de UV-lijm dun-lopend genoeg zijn om uit de printkop van de 3D-printer geperst te kunnen worden. Dit wordt getest door de ‘vloeibaarheid’ van verschillende geprepareerde mengsels op te meten. Ook moet het poeder gelijkmatig in het mengsel verdeeld zitten omdat de component anders, door het verwijderen van de lijm, ongelijkmatig krimpt tijdens het uitbakken, waardoor deze stuk gaat. Om de verdeling van het poeder in de lijm te controleren worden de verschillende geprepareerde mengsel onder een elektronenmicroscoop bestudeerd.

Naast het feit dat een mengsel ‘deponeerbaar’ moet zijn, moet het eveneens ‘printbaar’ zijn. Dit wil zeggen dat het mengsel aan een bepaald vloeigedrag moet voldoen. Zo zal een te dun-lopend mengsel volledig uitlopen vooraleer het onder invloed van UV-licht uitgehard kan worden, wat de nauwkeurigheid van het printproces negatief beïnvloedt. Een te dik-lopend mengsel zal daarentegen te weinig uitlopen, waardoor de gedeponeerde banen als touwen op elkaar blijven liggen. Hierdoor ontstaan interne holten in het materiaal en neemt de sterkte van de component af. Een maat voor de aanwezige hoeveelheid interne holten is de densiteit van de component. Door naar de vormverandering van een geprinte baan onder invloed van UV-licht te kijken in functie van de mengselsamenstelling en belichtingsvoorwaarden, kan bepaald worden aan welk vloeigedrag het gebruikte mengsel exact moet voldoen en onder invloed van welke parameters de baan tijdens het printen belicht moet worden.

Componenten worden geprint met behulp van een Fab@Home (http://www.fabathome.org/) 3D-printer. Om deze componenten op te bouwen zijn de procesparameters (hoe snel de printkop beweegt, hoeveel materiaal gedeponeerd dient te worden, etc.) proefondervindelijk geoptimaliseerd. De componenten zijn tevens opgebouwd onder invloed van verschillende waarden van de belichtingssterkte van de UV-lichtbron. Dit allebei om de invloed van deze parameters op de nauwkeurigheid van het proces en de hoeveelheid interne holten van de component te onderzoeken. De nauwkeurigheid van het printproces wordt onderzocht door geproduceerde componenten in te scannen met behulp van een 3D-scanner (denk aan een heel nauwkeurig ‘kinect’-systeem van Xbox). Hierdoor wordt een computermodel verkregen van de geproduceerde componenten, waarop de afmetingen dan opgemeten kunnen worden tot op 0,01mm nauwkeurig.

Tot slot wordt uit de componenten de UV-uithardende lijm uitgebakken door deze in een speciaal daarvoor voorziene oven te verwarmen tot een temperatuur van 600°C. Na deze stap blijft enkel keramisch poeder over, in de vorm waarin het gedeponeerd is. Dit poeder wordt daarna aan elkaar gebakken (gesinterd) op 1450°C, waardoor een keramische component met een hoge sterkte verkregen wordt. Van deze gesinterde component wordt de densiteit opgemeten om te bepalen hoeveel holten in de structuur aanwezig zijn.

Conclusie

Uit dit onderzoek blijkt dat, om tot een component te komen met een beperkt aantal interne holten, best een mengsel gebruikt wordt dat 30% keramisch poeder en 70% lijm bevat. Dit vertoont immers het meest optimale vloeigedrag. Het nadeel van dit mengsel is echter wel dat opgebouwde componenten niet in staat zijn om de verwarmingscycli te overleven, omdat het percentage aan keramisch materiaal te laag ligt. Het verhogen van dit percentage is een bron voor verder onderzoek en kan gebeuren aan de hand van de in de thesis vernoemde suggesties. De densiteit van gesinterde componenten bedraagt 92%, hetgeen aantoont dat deze techniek, die nog in ontwikkeling is, zeker een groot potentieel naar de toekomst toe heeft voor de productie van klantspecifieke componenten uit keramisch materiaal.

Bibliografie

Abouliatim, Y. et al., 2009. Optical characterization of stereolithography alumina suspensions using the Kubelka-Munk model. Journal of the Euorpean Ceramic Society, 3 Januari, 2009(29), p. 6.

Agarwala, M. K. et al., 1996. Fused Deposition of Ceramics (FDC) for structural Silicon Nitride Components, Pisacataway, NJ: Rutgers - The State University.

Agarwala, M. K. et al., 1996. Filament Feed Materials for Fused Deposition Processing of Ceramics and Metals, Piscataway, NJ: Rutgers University.

Agarwala, M. K. et al., 1996. Fused Deposition of Ceramics and Metals: an Overview, sl: Rutgers : The State University.

Allahverdi, M., Danforth, S. C., Jafari, M. & Safari, A., 2000. Processing of advanced electroceramic components by fused deposition technique. Journal of the European Ceramic Society, 4 September, 2001(Vol 21), pp. 1485-1490.

Andrzejwska, E., 2001. Photopolymerization kinetics of multifunctional monomers. Progress in Polymer Science, 9 November, 2001(26), p. 61.

ASTM: American Society for Testing and Materials, 2010. ASTM F2792 - 12a Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies, West Conshohocken: ASTM International.

Bauman, I., Curic, D. & Boban, M., 2008. Mixing of solids in different mixing devices. Sadhana, December, 33(6), pp. 721 - 731.

Belinni, A., 2002. : A Comprehensive Experimental, Analytical and Computational Study of Material Behavior, Fabrication Process and Equipment Design, Philadelphia: Drexel University.

Belinni, A., Shor, L. & Guceri, I. S., 2005. New developments in fused deposition modeling of ceramics. Rapid Prototyping Journal, 11(4), pp. 214-220.

Blom, C., Jongschaap, R. J. J. & Mellema, J., 1986. Inleiding in de Reologie. 2e druk red. Twente: Kluwer Technische Boeken B.V..

Bocanegra-Bernal, M. H. & Matovic, B., 2008. Dense and near-net-shape fabrication of Si3N4ceramics. Materials Science and Engineering, 2009(A 500), pp. 130-149.

Cai, K. et al., 2012. Geometrically Complex Silicon Carbide Structures Fabricated by Robocasting. Journal of Ceramic Society, 95(8), pp. 2660-2666.

Carter, B. C. & Norton, G. M., 2007. Ceramic Materials Science and Engineering. New York: Springer.

Cesarano III, J. & Baer, T. A., 1997. Recent Developments in Freeform Fabrication of Dense Ceramics From Slurry Deposition, Albuquerque, NJ: Sandia National Laboratories.

Cesarano III, J. & Calvert, P. D., 2000. Freeforming objects with low binder slurry, New Mexico, Albuquerque: sn

Cesarano III, J., Segalman, R. & Calvert, P., 1998. Robocasting provides moldless fabrication from slurry deposition. Ceramic Industry, 148(4), p. 94.

Chartier, T., Chaput, C., Doreau, F. & Loiseau, M., 2001. Stereolithography of structural complex ceramic parts. Journal of Materials Science, Volume 37, pp. 3141-3147.

Clancy, R. et al., 1997. Fused Deposition of Ceramics: Progress Towards a Robust and Controlled Process for Commercialization, Morristown, NJ: AlliedSignal, inc. Research and Technology.

Departement MTM, KU Leuven, 1999. PHILIPS scanning electron microscope XL30 FEG. [Online]
Available at: http://sirius.mtm.kuleuven.be/Research/Equipment/Physical/Philips-SEM- XL30-FEG.html [Geopend 26 Mei 2013].

DSM, 2012. DSM. Brighter science. Brighter living. [Online] Available at: http://www.dsm.com/en_US/somos/public/home/downloads/publications/Somos- WaterShed_XC_11122_Datasheet.pdf?fileaction=openFile [Geopend 26 Maart 2013].

Fab@Home, 2012. Fab@Home wiki. [Online] Available at: http://fabathome.org/wiki2/image_figure_2.html [Geopend 26 Maart 2013].

Ferraris, E. et al., 2012. Machinability investigation on high speed hard turning of ZrO2 with PCD tools. Heverlee, Belgium, Department of Mechanical Engineering, Katholieke Universiteit Leuven, pp. 500-505.

Formatec Ceramics, 2012. Ceramic Injection Molding: Technologie Seminar, Goirle: sn Gibson, I., Rosen, D. W. & Stucker, B., 2010. Additive Manufacturing Technologies: Rapid

Prototyping to Direct Digital Manufacturing. New York: Springer.
Gilissen, R. et al., 2000. Gelcasting, a near net shape technique. Materials and Design, 2000(21), pp. 251-257.

Gonález-Guttiérrez, J., Stringari, G. B. & Emri, I., s.d.. Powder Injection Molding of Metal and Ceramic Parts, Ljubljana, Slovenia: Center for Experimental Mechanics, University of Lubljana.

Griffin, E. A. & McMillin, S., 1995. Selective Laser Sintering and Fused Deposition Modeling Processes For Functional Ceramic Parts, Draper, UT: Lone Peak Engineering, Inc..

Hascoet, J. Y., Muller, P. & Mognol, P., 2011. MANUFACTURING OF COMPLEX PARTS WITH CONTINUOUS FUNCTIONALLY GRADED MATERIALS (FGM), Nantes: Institut de Recherche en Communications et Cybernetique de Nantes.

Hausnerova, B., s.d.. Powder Injection Moulding - An alternative processing method for automotive items, Zlin, Cech Republic: Thomas Bata University.

Hinczewski, C., Corbel, S. & Chartier, T., 1998. Ceramic Suspensions Suitable for Stereolithography. Journal of the European Ceramic Society, 1997(18), pp. 583-593.

Homa, J., 2013. Additive Manufacturing for high performance Ceramics, Veldhoven: sn

Huang, Y. & Yang, J., 2010. Novel Colloidal Forming of Ceramics. Heidelberg: Springer.

Janssen, R., Scheppokat, S. & Claussen, N., 2008. Tailor-made ceramic-based components— Advantages by reactive processing and advanced shaping techniques. Journal of the European Ceramic Society, 2008(28), pp. 1369-1379.

Kalpakjian, S. & Schmid, S. R., 2009. Manufacturing Engineering and Technology. 6 red. London: Pearson Education.

KU Leuven, Department MTM, 1999. SDT ( Simultaneous DSC and TGA) Q600 T.A Instruments. [Online] Available at: http://sirius.mtm.kuleuven.be/Research/Equipment/fiches/simultaneous-DSC- and-TGA.html [Geopend 19 mei 2013].

Lee, J. H., Prud'homme, R. K. & Aksay, I. A., 2000. Cure depth in photopolymerisation: Experiments and theory, Princeton, New Jersey: Department of Chemical Engineering and Princeton Materials Institute.

Lewis, J. A., 2000. Colloidal Processing of Ceramics. Journal of the American Ceramic Society, 83(10), pp. 2341-2359.

Liska, R. et al., 2008. Device and method for processing light-polymerizable material for building up an object in layers, Wien: sn

Lithoz GmbH, 2012. LCM - Lithography based Ceramic Engineering. [Online] Available at: http://www.lithoz.com/en/technology/lcm-%E2%80%93-lithography-based- ceramic-manufacturing/
[Geopend 14 December 2012].

Macosko, C. W., 1994. Rheology: Principles, Measurements and Applications. 1st red. Toronto: Wiley-VCH, Inc..

Mason, M. S. et al., 2006. Freeform Extrusion of High Solids Loading Ceramic Slurries, Part I: Extrusion Process Modeling, Rolla: sn

Mathews, P. G., 2005. Design of Experiments with Minitab. Milwaukee: Asq Press.
McNulty, T. F. et al., 1998. Development of a binder formulation for fused deposition of

ceramics. Rapid Prototyping Journal, 4(4), pp. 144-150.

Melchels, F. P., Feijen, J. & Grijpma, D. W., 2010. A review on stereolithography and its applications in biomedical engineering. Biomaterials, 2010(31), pp. 6121-6130.

Mendel Parts, 2011. Mendel-Parts.com. [Online] Available at: http://www.mendel-parts.com/index.php/catalog/product/gallery/id/323/im… [Geopend 26 Maart 2013].

Moens, D., 2012. Werktuigkundig Ontwerp. Sint-Katelijne-Waver: Campus De Nayer.

Morissette, S. L. & Lewis, J. A., 1999. Chemorheology of Aqueous-Based Alumina–Poly(vinyl alcohol) Gelcasting Suspensions. Journal of the American Ceramic Society, 82(3), pp. 521- 528.

Morissette, S. L. et al., 2000. Solid Freeform Fabrication of Aqueous Alumina–Poly(vinyl alcohol) Gelcasting Suspensions. Journal of The American Ceramic Society, 83(10), pp. 2409- 2416.

Osswald, T. A. & Menges, G., 2003. Materials science of polymers for engineers. sl:Hanser Publications.

Padon, K. S. & Scranton, A. B., 2000. A Mechanistic Investigation of a Three-Component Radical Photoinitiator System Comprising Methylene Blue,N-Methyldiethanolamine, and Diphenyliodonium Chloride. Journal of Polymer Science, Volume 38, pp. 2057-2066.

Piconi, C. & Maccauro, G., 1997. Zirconia as a ceramic biomaterial. Biomaterials, Issue 20, pp. 1-25.

Potoczek, M. & Zawadzak, E., 2004. Initiator effect on the gelcasting properties of alumina in a system involving low-toxic binders. Ceramics international, 10 maart, Volume 30, pp. 793-799.

Qi, G. et al., 1997. Properties of RU955 Si3N4 Filament for Fused Deposition of Ceramics, Piscataway, NJ: Rutgers University.

R.T. Vanderbilt Company, inc., 2010. Vanderbilt Technical Data. [Online] Available at: http://www.rtvanderbilt.com/TDS_DARVAN_811.pdf [Geopend 15 December 2012].

Reeves, P., Tuck, C. & Hague, R., 2011. Additive Manufacturing for Mass Customisation. In: Mass Customisation. London: Springer, pp. 275 - 289.

Rhodes, M., 2008. Introduction to Particle Technology. 2nd red. West Sussec: John Wiley & Sons, Ltd.

Riley, J., 2005. Colloid Science: Principles, Methods and Applications. 1 red. sl:Blackwell Publishing Ltd.

Sadechaf UV BVBA, 2008. Technical Information Sadechaf UVACRYL 2137. [Online] Available at: http://www.sadechaf.eu/wp-content/uploads/2010/03/TDS-Sadechaf- UVACRYL-2137-English-v2.pdf
[Geopend 24 Februari 2013].

Sadechaf UV BVBA, s.d.. UV Powermatrix, LED UV-Visible Light Source, Turnhout: Sadechaf UV BVBA.

Shqua, K., 2005. Electrosteric Dispersants used in colloidal processing of ceramics, Columbus, OH: The Ohio State University.

Sigmund, W. M., Bell, N. S. & Bergström, L., 2000. Novel Powder-Processing Methods for Advanced Ceramics. Journal of the Armerican Ceramic Society, 83(7), pp. 1557-1574.

Stuecker, J. N., Cesarano III, J. & Hirschfeld, D. A., 2003. Control of the viscous behavior of highly concentrated mullite suspensions for robocasting. Journal of Materials Processing Technology, Volume 142, pp. 318-325.
74

Tosoh corporation, 2004. TOSOH ZIRCONIA POWDER SPECIFICATION AND TYPICAL PROPERTIES, Tokyo: Tosoh Corporation.

Vaidyanathan, R. et al., 2000. The Extrusion Freeforming of Functional Ceramic Prototypes, Warrendale, PA: JOM.

Vleugels, J., 2012. Durable & Sustainable Polymer-based Additive Manufacturing of Near- Net-Shape Ceramic and Polymer-Ceramic Composites, Reflection of brainstorm between Materialise, PMA and MTM, Leuven: KULeuven.

Voet, A., 2011. Productie tecnieken. Mechelen: Lessius - Campus De Nayer.
Wohlers, T., 2012. Additive Manufacturing and 3D printing State of the Industry, sl: Wohlers Associates.

Wozniak, M. et al., 2009. Highly loaded UV curable nanosilica dispersions for rapid prototyping applications. Journal of the European Ceramic Society, Volume 29, pp. 2259- 2265.

Xie, R. et al., 2012. Gelcasting of alumina ceramics with improved green strength. Ceramics International, Volume 38, pp. 6923-6929.

Ziemian, C., Sharma, M. & Ziemian, S., 2011. Anisotropic Mechanical Properties of ABS Parts Fabricated by Fused Deposition Modelling. In: M. Gockek, red. Mechanical Engineering. 1e red. sl:Intech, pp. 159 - 180.

Zimbeck, W., Pope, M. & Rice, R. W., 1996. Microstructures and Strengths of Metals and Ceramics made by Photopolymer-based Rapid Prototyping, Annapolis, MD: Ceramic Composites ,Inc..