Keramik är några av de äldsta materialen som tillverkas av människor. På samma gång, de är några av de mest lovande materialen för det tjugoförsta århundradets nyckelteknologier. Dock, keramik är utmanande att forma och bearbeta, speciellt för applikationer där 3D-utskrift, även känd som additiv tillverkning (AM), skulle vara en intressant tillverkningsmetod.

Eindhovens tekniska universitet (TU/e) Ph.D. kandidat Steyn Westbeek utvecklade en modell för att göra AM av större keramiska föremål möjlig. Denna forskning ingick i ett större forskningsprojekt – tillsammans med tillämpat vetenskapligt forskningscentrum TNO och TU/e ​​High Tech Systems Center – med andra doktorander. kandidater, studerar hela tryckprocessen för keramik, inklusive lageravsättning och förbättring av 3D-skrivarkoncept och kontroll.

Unika fastigheter både en fördel och en utmaning

Keramik är vanligtvis utmärkta elektriska och värmeisolatorer som är hårda, stark, biokompatibel och robust när den står inför många kemikalier och temperaturer. Dessa unika egenskaper innebär att keramik kan bidra till att förbättra levnadskvaliteten, spara energi, minska slitaget och öka livslängden på komponenter i många olika applikationer. Dock, dessa egenskaper gör det också troligt att deformationer och sprickor inträffar i något skede under 3D-utskriftsprocessen – vanligtvis, på grund av spänningar i materialet.

Även om allt mer mainstream för andra material, AM är inte väl förstådd för keramik. Tills nu, det har mestadels använts för att producera små volymer av mycket detaljerade föremål mindre än några cm. Större föremål löper stor risk att spricka.

Westbeek skapade en modell av de fysiska processerna inuti 3-D-skrivaren, för att hjälpa till att förbättra förståelsen för 3D-utskrift av keramik och göra det möjligt att skriva ut större objekt. AM of keramics är en process i två steg:för det första, mycket tunna lager av en blandning av keramiskt pulver och ett bindemedel läggs ner, härdas av UV-ljus mellan varje lager. Detta skapar objektets slutliga form. Andra, föremålet värms upp i en ugn för att ta bort bindemedlet - ungefär som att baka en lerskulptur.

Förutsäga vad som går fel under härdningsfasen

Westbeek fokuserade mest på UV-härdningsfasen, där bindemedel/pulverblandningen blir fast. Härdningssteget kan vara en källa till spänningar i materialet. Modellen inkluderar skrivarinställningarna, såsom egenskaperna hos UV-ljuskällan och egenskaperna hos bindemedlet, och processer som ljus som studsar av det keramiska pulvret och temperaturen ökar inuti föremålet under härdning.

Med denna kunskap, det är möjligt att ändra 3D-utskriftsprocessen för att se till att den fungerar bäst för den form du vill skriva ut. Detta minskar många olika problem, som väggar som är för tjocka, överhettning av föremål, för lite eller ojämn härdning och, till sist, utveckling av spänningar som kan leda till sprickor och oönskad deformation. Denna nya förståelse är ett värdefullt steg mot tryckning av komplext formade och stora keramik.