3D tvarování keramické suspenze vytvrditelné UV zářením

Abstract

Diplomová práce je zaměřena na přípravu koloidních suspenzí, vytvrditelných UV zářením, jenž jsou určeny k 3D tisku komplexních keramických vláknových struktur. Rovněž jsou v práci představeny techniky následného tvarování vytisknutých a vytvrzených struktur. Z hydroxyapatitu ve formě prášku a komponent, vytvrditelných UV zářením, byly vytvořeny pasty, určené k 3D tisku komplexních keramických vláknových struktur a multivrstev. U takto vytisknutých a vytvrzených struktur bylo navíc dosaženo zlepšení kvality povrchu a soudržnosti vláken. Pro výrobu past, určených k 3D tisku, s vhodnými reologickými vlastnostmi je nezbytné důkladné pochopení interakcí mezi částicemi, surfaktantem a monomerní/oligomerní směsí. Za použití lineárních a zesíťujících oligomerů jako disperzního média vznikají po tisku a UV vytvrzení velmi flexibilní vláknové mřížky, které lze dále tvarovat a takto vytvářet rozmanité struktury. Tyto struktury jsou následně slinuty, bez významných vad na povrchu či delaminace vrstev, za vzniku složitých keramických těles. Vysoké kvality povrchu je dosaženo UV vytvrzením vytisknutých struktur v argonové atmosféře, která brání kyslíkové inhibici radikálů v blízkosti povrchu vláken. Výhody kombinace 3D tisku s UV vytvrzováním jsou demonstrovány v této práci za užití dvouvrstvých flexibilních struktur, určených k následným metodám 3D tvarování. Takto vytvořených složitých 3D struktur je jen velmi obtížné, ne-li nemožné, dosáhnout pouze užitím přímého 3D tisku. Na základě této práce může být v budoucnu odvozena univerzální teorie k přípravě past, určených k 3D tisku komplexních keramických struktur pro různé aplikace.

The aim of this study was the development of printable, UV curable colloidal pastes for 3D robotic deposition of complex ceramic fibre networks. Additionally, shaping techniques of printed structures have been demonstrated. Printable and functional ceramic pastes based on hydroxyapatite have been successfully developed from UV curable compositions. Complex printed ceramic fibre networks and multilayers as well as enhancement of the fibre surface quality have been realised. It has been found that the control of particle-monomer/oligomer-surfactant interactions is essential to achieve printable pastes with adequate rheological properties. Using linear and cross-linking UV curable oligomers as dispersion media, very flexible structures result after UV curing. All printed, cured and additionally shaped structures have been transformed to macroscopic ceramics via thermal debinding and sintering without cracks or delamination between the layers. This has been achieved by using argon atmosphere during curing to prevent oxygen inhibition. The 3D robotic deposition in combination with UV curing is a novel and promising technique to produce complex functional ceramic structures. In this work, the benefits from the combination of 3D robotic deposition and UV solidification have been demonstrated in a new way by using cured and flexible 2 layer structures for folding processes, which lead to 3D structures that are very difficult or impossible to achieve with the employment of just direct 3D robotic deposition. On the basis of this research, versatile theory about preparing ceramic pastes for 3D robotic deposition of complex structures for various applications can be deduced.