Extrusiegebaseerd 3D printen van keramische materialen

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.