複雑な微細構造セラミックスのための制御可能なセラミックグリーンボディ3Dプリント技術

複雑な微細構造セラミックスのための制御可能なセラミックグリーンボディ3Dプリント技術
寄稿者: 曹継偉、陸忠良

複雑で微細な構造を持つセラミック部品は、セラミック自体の硬くて脆い特性により、脱脂および焼結プロセス中に微細構造が変形したり割れたりする傾向があります。この問題に対処するため、シンガポール国立大学の研究プロジェクトでは、直接描画を使用して、まずイットリウム安定化二酸化ジルコニウム (YSZ) セラミックの微細構造成形を実現し、次に二次成形後のプロセスでセラミック本体のマクロ構造成形を行い、最後に脱脂および焼結プロセスで部品を製造しました。最終的に、最初にミクロ構造を形成し、次にマクロ構造を形成するこの方法により、図 1 に示すように、複雑で微細構造のセラミック部品を製造することに成功しました。製造されたセラミック部品の密度は理論密度の 99.0% 以上に達し、優れた機械的剛性を備えています。


図1 複雑構造セラミック部品の製造方法とプロセスフロー この技術では、微細構造セラミック体を形成する際に、ポリオールを可塑剤として使用し、固相含有量を制御することで直接描画スラリーのせん断弾性率を調整し、図1aに示すように、印刷されたブランクの弾性率を制御します。固形分含有量が34.0体積%未満の場合、成形されたセラミック体は柔軟体であり、マクロ構造の形状保持能力は弱く、固形分含有量が34.0体積%を超える場合、成形されたセラミック体は弾性体であり、マクロ構造の形状保持能力は強くなる。研究チームは、特性の異なるこれら2つのセラミック体に対して、異なる二次成形プロセスを実行しました。

剛性セラミックグリーンボディの場合、図 2 に示すように、自己組織化支援成形 (SAS) プロセスを使用して部品のマクロ構造形成を完了します。セラミック本体の両端に接点が事前に設計・印刷されており、これらの接点を介して本体が端から端まで組み立てられます。次に、紫外線放射を使用して、ブランク内の有機物の重合を開始します。ブランク内の有機物が完全に固まった後、部品を加熱して脱脂および焼結プロセスを完了します。


図2 弾性セラミックグリーン体のマクロ構造形成方法。 柔軟なセラミックグリーン体は形状保持能力が低い。 本研究プロジェクトでは、図3に示すように、金型支援成形(MAS)を通じてセラミック部品のマクロ構造形成を完了します。直接書き込み可能なフレキシブルセラミックブランクをセラミック/樹脂型に入れ、加圧して加熱します。セラミック本体内の可塑剤(ポリオール)が完全に蒸発した後、セラミック/樹脂型を取り除きます。最終的に、完全な構造を持つ複雑な構造のセラミック部品が得られます。


図3 フレキシブルセラミックグリーン体のマクロ構造形成方法は、フレキシブル/弾性セラミックグリーン体の最初の直接描画形成とそれに続く二次成形方法を通じて、セラミック部品の微細構造と複雑な形状の形成を完了します。最終的には、低固相セラミックグリーン体を高密度(99.0%)の特殊形状構造セラミック部品に変換することが可能になります。さらに、水性セラミック懸濁液に対する光硬化性セラミック懸濁液の利点を活用することで、多機能、多相、複雑構造のセラミックの製造が可能になります。この技術のシンプルさにより、ユニークなマクロ構造のセラミック製品を製造する方法となり、現在の最先端のセラミック積層製造技術が強化されます。

参考文献:
D. Zhang、E. Peng、R. Borayek、J. Ding。微細構造を持つ複雑なセラミック構造のための制御可能なセラミックグリーンボディ構成。Advanced Functional Materials。2019、29 (12): 1807082。

寄稿者: 曹継偉、陸中良 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

セラミック、弾力性、複雑な構造、セラミック印刷

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