СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЕОЛИТОГРАФИЕЙ СЫРЫХ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ ИЗ КЕРАМИЧЕСКОГО ИЛИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ФОТОТЕРМИЧЕСКИМ ПУТЕМ
METHOD OF STEREOLITHOGRAPHY OF RAW WORK PIECES FROM CERAMIC OR METAL MATERIAL USING PHOTOTHERMAL METHOD

Настоящее изобретение относится к способу и композиции для изготовления сырых деталей из керамического или металлического материала использованием стереолитографии, причём упомянутые сырые детали подлежат операциям очистки, удаления связующего и спекания для получения готовых керамических или металлических деталей.
Стереолитография, в общем, содержит следующие этапы, для получения этих сырых деталей, на которых:
- строят системой автоматизированного проектирования компьютерную модель заготовки детали, подлежащей изготовлению, причём размеры модели немного больше размеров заготовки детали, подлежащей изготовлению, с тем, чтобы предусматривать усадку керамического или металлического материала во время изготовления заготовки детали; и
- изготавливают заготовку детали следующим образом:
- образуют на жёстком основании первый слой фотоотверждаемой композиции, содержащей, по меньшей мере, один керамический или металлический материал, фотоотверждаемый мономер и/или олигомер, фотоинициатор и, при необходимости, по меньшей мере, одно из следующего: пластификатор, растворитель, диспергатор или ингибитор полимеризации;
- отверждают первый слой фотоотверждаемой композиции облучением (лазерным сканированием свободной поверхности упомянутого слоя или использованием диодной проекционной системы) согласно определённому шаблону на основе модели для упомянутого слоя, образуя первый этап;
- образуют, на первом этапе, второй слой фотоотверждаемой композиции;
- отверждают второй слой фотоотверждаемой композиции облучением согласно шаблону, определяемому для упомянутого слоя, образуя второй слой, причём это облучение выполняют так же, как и для первого слоя;
- возможно, повторяют вышеупомянутые этапы до тех пор, пока будет получена сырая заготовка детали.
Затем, для получения готовой детали, как указано выше, сырую заготовку детали очищают для удаления неотвержденной композиции; очищенную сырую заготовку детали подвергают удалению связующего; и очищенную и подвергшуюся удалению связующего сырую заготовку детали спекают, для получения готовой детали.
Часть может быть изготовлена процессом пастообразования или жидкостным процессом.
- При изготовлении процессом пастообразования фотоотверждаемая композиция находится в форме пасты, в то время как жёсткое основание представляет собой рабочий лоток, который поддерживает различные слои конструируемой заготовки детали, а также пасту; каждый из слоев, в общем, образуют опусканием рабочего лотка и распределением пасты с предварительно определённой толщиной. Запас пасты хранят в резервуарах, которые автоматически опорожняют от предварительно определённого количества пасты на каждом слое с помощью поршня. Это создаёт шарик пасты, который подлежит распределению по верхнему слою изготавливаемой детали, которая была предварительно опущена рабочим лотком. Каждый слой, в общем, распределяют соскрёбыванием путём использования «скребкового» лезвия, которое проходит по рабочей поверхности рабочего лотка, например, продвижением в горизонтальном прямолинейном направлении.
- В случае изготовления жидкостным процессом, фотоотверждаемая композиция находится в форме суспензии с низкой вязкостью.
- В первом варианте осуществления жидкостным процессом, жёсткое основание представляет собой лоток, который опускают в ванну фотоотверждаемой суспензии, чтобы покрывать её слоем упомянутой суспензии, причём упомянутый слой затем отверждают облучением, как указано выше. Каждый из следующих слоёв затем последовательно образуют на этом первом слое пошаговым опусканием лотка в ванну, так чтобы верхний уровень образуемой детали опускался ниже свободной поверхности фотоотверждаемой суспензии, чтобы образовывать рассматриваемый слой, причём упомянутый слой затем подвергают облучению.
- Во втором варианте осуществления жидкостным процессом фотоотверждаемую суспензию содержат в резервуаре с прозрачным дном, чтобы позволять облучение, в то время как изготавливаемую деталь удерживают на жёстком основании в форме платформы, которая пошагово поднимается. Таким образом, мы начинаем отверждением базового слоя, затем платформу поднимают на один шаг, чтобы позволять суспензии образовать новый слой, который мы затем отверждаем, причём операцию повторяют последовательно для каждого слоя.
- В третьем варианте осуществления жидкостным процессом фотоотверждаемую суспензию распределяют слоем на прозрачную плёнку для облучения, причём плёнку располагают так, чтобы разворачивать горизонтально. Деталь образуют на жёсткой платформе, которую опускают, чтобы входить в контакт со слоем, который отверждают облучением через плёнку. Затем мы разворачиваем новый сегмент плёнки, покрытый новым фотоотверждаемым слоем, и повторяем операцию до тех пор, пока создание заготовки детали не будет завершено.
2
3
2
Различные керамические или металлические порошки, которые используют в стереолитографии, демонстрируют поведение поглощения УФ света на длине волны используемого УФ луча (например, 355 нм), которое может варьироваться от одного к другому. Некоторые порошки являются очень абсорбирующими, такие как порошки из лантан-стронций-манганитовой керамики (LSM), карбида кремния (SiC) или серебра (Ag), в то время как другие порошки являются гораздо менее абсорбирующими, например, оксид алюминия (AlO) и диоксид циркония (ZrO).
2
Таким образом, мы можем отметить, что порошок ZrO поглощает только 8% УФ света на длине волны 355 нм, тогда как LSM и SiC каждый поглощает более 90%.
Фиг. 1 показывает спектры поглощения некоторых керамических/металлических порошков.
В этих последних случаях свет, поглощаемый порошком, больше не доступен для фотоинициатора, и поэтому реакция фотополимеризации больше не может происходить.
Другими словами, отсутствие реакционной способности некоторых фоточувствительных керамических или металлических паст или суспензий к воздействию УФ света затрудняет, если не делает невозможным, конструирование объекта УФ стереолитографией.
Чтобы решить эту проблему, Заявитель включил термический инициатор в керамическую или металлическую пасту или суспензию, чтобы использовать термическую энергию, выделяемую керамическими или металлическими порошками во время их выдержки в видимом УФ свете, а также ИК свете, чтобы генерировать управляемое инициирование термической полимеризации.
В этом случае поглощение керамических или металлических частиц на рабочей длине волны, следовательно, является благоприятным, поскольку световая энергия, поглощаемая керамическими или металлическими частицами, преобразуется в тепло, а затем это тепло поглощается термическим инициатором, чтобы позволять полимеризацию смолы.
С этой точки зрения настоящее изобретение относится к способу изготовления, стереолитографией, сырой детали, изготавливаемой из керамического или металлического материала, причём способ, согласно которому слои, основанные на отверждаемой композиции, содержит этапы, на которых:
- упомянутый керамический или металлический материал, образованный, по меньшей мере, одним керамическим или металлическим порошком, соответственно; и
- органическую часть, содержащую, по меньшей мере, один мономер и/или олигомер и, по меньшей мере, один инициатор полимеризации упомянутого одного или более мономеров и/или олигомеров,
последовательно отверждают упомянутой полимеризацией согласно шаблону, определяемому для каждого слоя, причём первый слой образуют на рабочей платформе, а каждый другой слой образуют и затем отверждают на предыдущем слое,
отличающийся тем, что в качестве инициатора используют, по меньшей мере, один термический инициатор, который способен создавать инициирование термической полимеризации под действием термической энергии, выделяемой упомянутым керамическим или металлическим материалом, соответственно, во время воздействия на последний, по меньшей мере, одного источника облучения, выбираемого из источников УФ, видимого или ИК излучения.
Керамический порошок (порошки) может быть выбран из оксидных керамических порошков, таких как лантан-стронций-манганитовая керамика, лантан-стронций-манганитовая керамика в смеси со стабилизированным иттрием диоксидом циркония, ферритом и неоксидными керамическими порошками, такими как карбид кремния, нитрид кремния и нитрид алюминия.
Металлический порошок (порошки) может быть выбран из серебра, меди, железа, вольфрама и их сплавов.
Можно использовать один или более керамических и/или металлических порошков, в частности, в количестве от 25 до 65 частей по объёму относительно общего объёма.
В качестве мономеров и/или олигомеров, попадающих в органическую часть отверждаемой композиции согласно изобретению, могут упоминаться полифункциональные (мет)акрилаты, такие как диэтоксилированный диметакрилат бисфенола A, 1,6-гександиола диакрилат, 3-метил-1,5-пентандиола диакрилат, триметилолпропантриакрилат и их смеси.
Мономер(ы) и/или олигомер(ы) могут использоваться в количестве, в частности, от 20 до 50 частей по объему относительно общего объёма.
Термический инициатор(ы) может быть выбран из:
- пероксидов, таких как трет-амил пероксибензоат, бензоил пероксид, 2,2-бис(трет-бутилперокси)бутан, 1,1-бис(трет-бутилперокси)циклогексан, 2,5-бис(трет-бутилперокси)-2,5-диметилгексан, 2,5-бис(трет-бутилперокси)-2,5-диметил-3-гексин, бис(1-(трет-бутилперокси)-1-метил этил)бензол, 1,1-бис(трет-бутилперокси)-3,3,5-триметилциклогексан, трет-бутилперацетат, трет-бутилпероксид, трет-бутил пероксибензоат, трет-бутилперокси изопропил карбонат, циклогексанон пероксид, дикумил пероксид, лауроил пероксид, 2,4-пентандион пероксид, персульфат калия и персульфат аммония;
- гидропероксидов, таких как трет-бутилгидропероксид, кумолгидропероксид и надуксусная кислота;
- алкоксиаминов, таких как N-(2-метилпропил)-N-(1-диэтилфосфоно-2,2-диметилпропил)-O-(2-карбоксипроп-2-ил) гидроксиламин (BlocBuilder MA); и
- азосоединений, таких как 1,1'-азобис (циклогексанкарбонитрил) и 2,2'-азобисисобутиронитрил (AIBN).
В частности, термический инициатор(ы) может использоваться в количестве, в частности, от 0,5 до 8 частей по объёма относительно общего объёма.
Можно использовать отверждаемую композицию, дополнительно содержащую, по меньшей мере, один пластификатор, выбираемый, в частности, из полиэтиленгликоля, дибутилфталата и глицерина (неисчерпывающий список), в частности в количестве от 5 до 25 частей по объёму относительно общего объёма.
Может быть использована отверждаемая композиция, дополнительно содержащая, по меньшей мере, один диспергатор, выбираемый, в частности, из эфиров фосфорной кислоты, в частности в количестве от 1 до 8 частей по объёма относительно общего объёма.
В частности, может быть использована отверждаемая композиция, дополнительно содержащая, по меньшей мере, один ингибитор полимеризации, выбираемый, в частности, из 4-метоксифенола и фенотиазина, в частности в количестве от 0,1 до 3 частей по объему относительно общего объёма.
Настоящее изобретение также относится к композиции для осуществления способа, как определено выше, отличающейся тем, что она содержит:
- один или более керамических и/или металлических порошков;
- один или более мономеров и/или олигомеров, и
- по меньшей мере, один термический инициатор, способный создавать инициирование термической полимеризации под действием термической энергии, выделяемой упомянутым керамическим или металлическим материалом, соответственно, во время воздействия на последний, по меньшей мере, одного источника облучения, выбираемого из источников УФ, видимого или ИК излучения.
Керамический порошок (порошки) может быть выбран из оксидных керамических порошков, таких как лантан-стронций-манганитовая керамика, лантан-стронций-манганитовая керамика в смеси со стабилизированным иттрием диоксидом циркония, ферритом и неоксидными керамическими порошками, такими как карбид кремния, нитрид кремния и нитрид алюминия, в то время как металлический порошок (порошки) может быть выбран из серебра, меди, железа, вольфрама и их сплавов, а керамический и/или металлический порошок (порошки) может присутствовать в количестве, частности, от 25 до 65 частей по объёму относительно общего объёма композиции.
Мономер(ы) и/или олигомер(ы) могут быть выбраны из полифункциональных (мет)акрилатов, таких как диэтоксилированный диметакрилат бисфенола А, 1,6-гександиола диакрилат, 3-метил-1,5-пентандиола диакрилат, триакрилат триметилолпропана, и их смеси, и они могут присутствовать, в частности, в количестве от 20 до 50 частей по объему относительно общего объёма композиции.
Термический инициатор(ы) может быть выбран из:
- пероксидов, таких как трет-амил пероксибензоат, бензоил пероксид, 2,2-бис(трет-бутилперокси)бутан, 1,1-бис(трет-бутилперокси)циклогексан, 2,5-бис(трет-бутилперокси)-2,5-диметилгексан, 2,5-бис(трет-бутилперокси)-2,5-диметил-3-гексин, бис(1-(трет-бутилперокси)-1-метил этил)бензол, 1,1-бис(трет-бутилперокси)-3,3,5-триметилциклогексан, трет-бутилперацетат, трет-бутилпероксид, трет-бутил пероксибензоат, трет-бутилперокси изопропил карбонат, циклогексанон пероксид, дикумил пероксид, лауроил пероксид, 2,4-пентандион пероксид, персульфат калия и персульфат аммония;
- гидропероксидов, таких как трет-бутилгидропероксид, кумолгидропероксид и надуксусная кислота;
- алкоксиаминов, таких как N-(2-метилпропил)-N-(1-диэтилфосфоно-2,2-диметилпропил)-O-(2-карбоксипроп-2-ил) гидроксиламин (BlocBuilder MA); и
- азосоединений, таких как 1,1’-азобис (циклогексанкарбонитрил) и 2,2’-азобисисобутиронитрил (AIBN),
и может присутствовать в количестве, в частности, от 0,5 до 8 частей по объёму относительно общего объёма композиции.
Композиция согласно изобретению также может содержать, по меньшей мере, один пластификатор, выбираемый, в частности, из полиэтиленгликоля, дибутилфталата, глицерина, в частности, в количестве от 5 до 25 частей по объёму относительно общего объёма композиции.
Композиция согласно изобретению может также содержать, по меньшей мере, один диспергатор, выбираемый, в частности, из эфиров фосфорной кислоты, в количестве, в частности, от 1 до 8 частей по объёму относительно общего объёма композиции.
Композиция согласно изобретению также может содержать, по меньшей мере, один ингибитор полимеризации, выбираемый, в частности, из 4-метоксифенола и фенотиазина, глицерина, в частности, в количестве от 0,1 до 3 частей по объёму относительно общего объёма композиции.
Следующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение, однако, без ограничения его объёма охраны.
Примеры 1-6
Были приготовлены суспензии, композиция которых приведена в следующих таблицах в % по объёму от общего объёма, и были проведены стереолитографические исследования на длинах волн, при мощностях и диаметрах пучка, также указанных в таблицах.
Эти эксперименты проводили на стереолитографической машине типа CERAMAKER, оснащённой различными лазерами.
Результаты также показаны в каждой из Таблиц 1 и 2.
[Таблица 1]
Ингредиенты
Пример 1 (композиция)
Пример 2 (композиция)
Пример 3 (изобретение)
Пример 4 (изобретение)
Смесь LSM-8YSZ (лантан-стронций-манганит - стабилизированный иттрием цирконий) в массовом соотношении 50:50
45
45
45
45
Диэтоксилированный бисфенол А диакрилат (Мономер)
29
29
27
27
2-гидрокси-2-метил-1-фенил-пропан-1-он (фотоинициатор, чувствительный при 355 нм)
1
1
0
0
Пероксид бензоила в количестве 50 % по массе в трикрезилфосфате (термический инициатор)
0
0
3
3
Beycostat C 213: фосфорный эфир (диспергатор)
5
5
5
5
Полиэтиленгликоль 300 (пластификатор)
19
19
19
19
4-Метоксифенол (ингибитор полимеризации)
1
1
1
1
Длина волны (нм)
355
1064
1064
355
Мощность (Вт)
3
2
2
3
Диаметр луча (мм)
4
4
4
4
Результат
Нет реакционной способности
Нет реакционной способности
Изготовление объекта высотой в несколько сотен мкм
Изготовление объекта высотой в несколько сотен мкм
[Таблица 2]
Ингредиенты
Пример 5 (композиция)
Пример 6 (изобретение)
Серебро
45
45
Этоксилированный бисфенол А диакрилат (Мономер)
35
33
2-гидрокси-2-метил-1-фенил-пропан-1-он (фотоинициатор, чувствительный при 355 нм)
2
0
Пероксид бензоила в количестве 50 % по массе в трикрезилфосфате (термический инициатор)
0
3
Beycostat C 213: фосфорный эфир (диспергатор)
4
4
Полиэтиленгликоль 300 (пластификатор)
14
14
4-Метоксифенол (ингибитор полимеризации)
0
1
Длина волны (нм)
355
355
Мощность (Вт)
3
3
Диаметр луча (мм)
1
1
Результат
Очень низкая реакционная способность
Изготовление объекта высотой в несколько сотен мкм