Polimeryzacja indukowana fotochemicznie w przyrostowych metodach formowania elementów ceramicznych

• Autorzy: Więcław-Midor Anna , Tańska Joanna , Falkowski Paweł , Wiecińska Paulina

Warianty tytułu

EN

Photopolymerization in additive manufacturing of ceramics

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

O ile technologie druku 3D dla tworzyw sztucznych i metali są powszechnie stosowane, o tyle w przemyśle ceramicznym metody te są ciągle udoskonalane, tak aby móc je stosować komercyjnie. Ze względu na szereg proponowanych rozwiązań przyrostowe techniki formowania uznawane są za potencjalnie najlepsze w otrzymywaniu elementów ceramicznych o skomplikowanych kształtach. W porównaniu z konwencjonalnymi procesami obróbki skrawanej metody te są konkurencyjne w szczególności w przypadku formowania wyrobów jednostkowo lub małoseryjnie charakteryzujących się unikalnymi kształtami i rozmiarami. W niektórych metodach druku 3D wykorzystywana jest reakcja fotopolimeryzacji rodnikowej jako mechanizm utwardzania pojedynczej wydrukowanej warstwy. W tego typu technikach istotnym etapem jest opracowanie składu i przygotowanie stabilnej w czasie, homogenicznej, fotoutwardzalnej dyspersji ceramicznej. Masy te są zazwyczaj układami organicznymi i do ich przygotowania konieczne jest stosowanie często szkodliwych dla środowiska związków organicznych. W pracy sprawdzono możliwość zastosowania wodnych, fotoutwardzalnych dyspersji ceramicznych w formowaniu elementów ceramicznych o skomplikowanym kształcie wykonanych z tlenku glinu za pomocą metody cyfrowego przetwarzania światła (DLP). Wyniki badań wykazały, że opracowane masy ceramiczne charakteryzują się odpowiednimi właściwościami reologicznymi (lepkość przy szybkości ścinania 10 s-1 nie przekracza 0,5 Pa·s) i dużymi głębokościami sieciowania (ok 0,8 mm), dzięki czemu mogą być stosowane w technikach druku 3D takich jak SLA (stereolitografia) czy DLP.

EN

While 3D printing technologies for plastics and metals are widely used, in the ceramic industry these methods are constantly being improved so that they can be used commercially. Due to the number of proposed solutions, additive manufacturing techniques are considered potentially the best in obtaining ceramic elements with complex shapes. Compared to conventional subtractive fabrication processes, these methods are competitive, in particular in the case of forming single or low-volume products characterized by unique shapes and sizes. Some 3D printing methods use a radical photopolymerization reaction as a mechanism for curing a single printed layer. In this type of techniques, an important step is to develop the composition and prepare a time-stable, homogeneous, photocurable ceramic dispersion. These slurries are usually organic systems and it is necessary to use organic compounds, often harmful to the environment. In this work, the possibility of using aqueous, photocurable ceramic dispersions in the fabrication of complex shaped ceramics from alumina using the digital light processing (DLP) method was examined. The results showed that the developed ceramic slurries are characterized by appropriate rheological properties (viscosity at a shear rate of 10 s-1 does not exceed 0.5 Pa·s) and large cure depths (ca. 0.8 mm), thus they can be used in 3D printing, such as SLA (stereolithography) or DLP.

Słowa kluczowe

PL

fotopolimeryzacja; druk 3D; cyfrowe przetwarzanie światła; fotoutwardzalne dyspersje

EN

photopolymerization; 3D printing; digital light processing; photocurable dispersion

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych
• Czasopismo: Szkło i Ceramika
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 74, nr 1
• Strony: 31--37
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., il., wykr.

Twórcy

autor

Więcław-Midor Anna

• Politechnika Warszawska, Wydział Chemiczny

• https://orcid.org/0000-0003-3395-2596

autor

Tańska Joanna

• Politechnika Warszawska, Wydział Chemiczny

• https://orcid.org/0000-0001-6772-7536

autor

Falkowski Paweł

• Politechnika Warszawska, Wydział Chemiczny

• https://orcid.org/0000-0002-7614-943X

autor

Wiecińska Paulina

• Politechnika Warszawska, Wydział Chemiczny

• https://orcid.org/0000-0003-3553-1461

Bibliografia

• 1 A. Zocca, P. Colombo, C.M. Gomes, J. Günster, Additive Manufacturing of Ceramics: Issues, Potentialities, and Opportunities, J. Am. Ceram. Soc. 2015, 98. https://doi.org/10.1111/jace.13700
• 2 S. Zakeri, M. Vippola, E. Levänen, A comprehensive review of the photopolymerization of ceramic resins used in stereolithography, Addit. Manuf. 2020, 35. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101177
• 3 C. Provin, S. Monneret, H. Le Gall, S. Corbel, Three-dimensional ceramic microcomponents made using microstereolithography, Adv. Mater. 2003, 15, pp. 994–997. https://doi.org/10.1002/adma.200304916
• 4 M. Conrad, Experimental Investigations and Theoretical Modeling of Large Area Maskless Photopolymerization With Grayscale Exposure, Georg. Inst. Technol., Georgia Institute of Technology 2011. http://smartech.gatech.edu/handle/1853/45965
• 5 R. Felzmann, S. Gruber, G. Mitteramskogler, P. Tesavibul, A.R. Boccaccini, R. Liska, J. Stampfl, Lithography-based additive manufacturing of cellular ceramic structures, Adv. Eng. Mater. 2012, 14, pp. 1052–1058. https://doi.org/10.1002/adem.201200010
• 6 X. Song, Y. Chen, T.W. Lee, S. Wu, L. Cheng, Ceramic fabrication using Mask-Image-Projection-based Stereolithography integrated with tape-casting, J. Manuf. Process 2015, 20, pp. 456–464. https://doi.org/10.1016/J.JMAPRO.2015.06.022
• 7 J. Zhao, Y. Yang, L. Li, A comprehensive evaluation for different post-curing methods used in stereolithography additive manufacturing, J. Manuf. Process 2020, 56, pp. 867–877. https://doi.org/10.1016/J.JMAPRO.2020.04.077
• 8 Z. Chen, D. Li, W. Zhou, L. Wang, Curing characteristics of ceramic stereolithography for an aqueous-based silica suspension, Proc. Inst. Mech. Eng. Part B J. Eng. Manuf. 2010, 224, pp. 641–651. https://doi.org/10.1243/09544054JEM1751
• 9 C.J. Bae, A. Ramachandran, J.W. Halloran, Quantifying particle segregation in sequential layers fabricated by additive manufacturing, J. Eur. Ceram. Soc. 2018, 38, pp. 4082–4088. https://doi.org/10.1016/J.JEURCERAMSOC.2018.02.008
• 10 J.W. Halloran, V. Tomeckova, S. Gentry, S. Das, P. Cilino, D. Yuan, R. Guo, A. Rudraraju, P. Shao, T. Wu, T.R. Alabi, W. Baker, D. Legdzina, D. Wolski, W.R. Zimbeck, D. Long, Photopolymerization of powder suspensions for shaping ceramics, J. Eur. Ceram. Soc. 2011, 31, pp. 2613–2619 https://doi.org/10.1016/J.JEURCERAMSOC.2010.12.003
• 11 G. Franchin, H. Elsayed, R. Botti, K. Huang, J. Schmidt, G. Giometti, A. Zanini, A. De Marzi, M. D’Agostini, P. Scanferla, Y. Feng, P. Colombo, Additive Manufacturing of Ceramics from Liquid Feedstocks, Chinese J. Mech. Eng. Addit. Manuf. Front. 2022, 1, p. 100012. https://doi.org/10.1016/J.CJMEAM.2022.100012
• 12 H. Mokbel, F. Dumur, B. Raveau, F. Morlet-Savary, C. Simonnet-Jégat, D. Gigmes, J. Toufaily, T. Hamieh, J.P. Fouassier, J. Lalevée, Perovskites as new radical photoinitiators for radical and cationic polymerizations, Tetrahedron, 2016, 72, pp. 7686–7690. https://doi.org/10.1016/J.TET.2016.03.057
• 13 I. Leite, D. Camargo, M. Mota, C. Alberto, M. Cristina, A review on the rheological behavior and formulations of ceramic suspensions for vat photopolymerization, Ceram. Int. 2021, 47, pp. 11906–11921. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.01.031
• 14 R. He, W. Liu, Z. Wu, D. An, M. Huang, H. Wu, Q. Jiang, X. Ji, S. Wu, Z. Xie, Fabrication of complex-shaped zirconia ceramic parts via a DLP - stereolithography-based 3D printing method, Ceram. Int. 2018, 44, pp. 3412–3416. https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.2017.11.135
• 15 K. Wang, M. Qiu, C. Jiao, J. Gu, D. Xie, C. Wang, X. Tang, Z. Wei, L. Shen, Study on defect-free debinding green body of ceramic formed by DLP technology, Ceram. Int. 2020, 46, pp. 2438–2446. https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.2019.09.237
• 16 E. Andrzejewska, Free-radical photopolymerization of multifunctional monomers, 2nd ed., Elsevier Inc., 2019. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817827-0.00002-3
• 17 R. Simič, J. Mandal, K. Zhang, N.D. Spencer, Oxygen inhibition of freeradical polymerization is the dominant mechanism behind the “mold effect” on hydrogels, Soft Matter. 2021, 17, pp. 6394–6403. https://doi.org/10.1039/d1sm00395j 18 J.G. Fernandes, P. Barcelona, M. Blanes, J.A. Padilla, F. Ramos, A. Cirera, E. Xuriguera, Study of mixing process of low temperature co-fired ceramics photocurable suspension for digital light processing stereolithography, Ceram. Int. 2021, 47, pp. 15931–15938. https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.2021.02.167
• 19 K. Chung, N.S. Nenov, S. Park, S. Park, C–J. Bae, Design of Optimal Organic Materials System for Ceramic Suspension-Based, Additive Manufacturing, 2019. https://doi.org/10.1002/adem.201900445
• 20 V. Tomeckova, J.W. Halloran, Flow behavior of polymerizable ceramic suspensions as function of ceramic volume fraction and temperature, J. Eur. Ceram. Soc. 2011, 31, pp. 2535–2542. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2011.01.019
• 21 I. V. Khudyakov, Fast photopolymerization of acrylate coatings: Achievements and problems, Prog. Org. Coatings. 2018, 121, pp. 151–159. https://doi.org/10.1016/J.PORGCOAT.2018.04.030
• 22 N.B. Palaganas, J.D. Mangadlao, A.C.C. De Leon, J.O. Palaganas, K.D. Pangilinan, Y.J. Lee, R.C. Advincula, 3D printing of photocurable cellulose nanocrystal composite for fabrication of complex architectures via stereolithography, ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017, 9, pp. 34314–34324. https://doi.org/10.1021/acsami.7b09223
• 23 J. Yue, P. Zhao, J.Y. Gerasimov, M. Van De Lagemaat, A. Grotenhuis, M. Rustema-Abbing, H.C. Van Der Mei, H.J. Busscher, A. Herrmann, Y. Ren, 3D-Printable Antimicrobial Composite Resins, Adv. Funct. Mater. 2015, 25, pp. 6756–6767. https://doi.org/10.1002/adfm.201502384
• 24 R. Januszkiewicz, J.R. Tumbleston, A.L. Quintanilla, S.J. Mecham, J.M. DeSimone, Layerless fabrication with continuous liquid interface production, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2016, 113, pp. 11703–11708. https://doi.org/10.1073/pnas.1605271113
• 25 A. Al Mousawi, P. Garra, M. Schmitt, J. Toufaily, T. Hamieh, B. Graff, J.P. Fouassier, F. Dumur, J. Lalevée, 3-Hydroxyflavone and N-Phenylglycine in High Performance Photoinitiating Systems for 3D Printing and Photocomposites Synthesis, Macromolecules 2018, 51, pp. 4633–4641. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.8b00979
• 26 L.U. Kim, J.W. Kim, C.K. Kim, Effects of molecular structure of the resins on the volumetric shrinkage and the mechanical strength of dental restorative composites, Biomacromolecules 2006, 7, pp. 2680–2687. https://doi.org/10.1021/bm060453h
• 27 W. Liu, H. Wu, Z. Tian, Y. Li, Z. Zhao, M. Huang, X. Deng, Z. Xie, S. Wu, 3D printing of dense structural ceramic microcomponents with low cost: Tailoring the sintering kinetics and the microstructure evolution, J. Am. Ceram. Soc. 2019, 102, pp. 2257–2262. https://doi.org/10.1111/jace.16241
• 28 G. Ding, R. He, K. Zhang, C. Xie, M. Wang, Y. Yang, D. Fang, Stereolithography-based additive manufacturing of gray-colored SiC ceramic green body, J. Am. Ceram. Soc. 2019, 102, pp. 7198–7209. https://doi.org/10.1111/jace.16648
• 29 I.L. de Camargo, M.M. Morais, C.A. Fortulan, M.C. Branciforti, A review on the rheological behavior and formulations of ceramic suspensions for vat photopolymerization, Ceram. Int. 2021, 47, pp. 11906–11921. https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.2021.01.031