REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

Termoplastično 3D-tiskanje (ang. thermoplastic 3D printing, T3DP) je postopek aditivnega oblikovanja keramike na osnovi iztiskanja mikrometrskih kapljic termoplastične suspenzije z visoko vsebnostjo keramičnega prahu. Tak način nanašanja omogoča natančno oblikovanje komponent z visoko ločljivostjo. Nanesene kapljice se na podlagi z ohlajanjem strjujejo, z delnim prekrivanjem kapljic pa tvorimo posamezne linije in nato dvodimenzionalne plasti celotne komponente, kar dela postopek T3DP kompleksen. Za popolno obvladovanje postopka T3DP je tako potrebno razumeti ne samo parametre tiskanja, tj., načrtovanje in strategijo brizganja kapljic na podlago, ampak tudi lastnosti uporabljene keramične suspenzije (surovine). T3DP je razmeroma nov postopek aditivnega oblikovanja keramike, zato v literaturi ni veliko podatkov o primerni sestavi in zahtevanih lastnostih suspenzij. Znano je le, da morajo suspenzije izkazovati psevdoplastično obnašanje, ni pa znano, kakšne meddelčne interakcije so dopustne, tj., ali so lahko delci šibko flokulirani in ali mora suspenzija izkazovati mejno strižno napetost. Do te mere meddelčne interakcije suspenzij za T3DP še niso bile dovolj raziskane, a vendar ključno vplivajo na reološke lastnosti ter na uspešnost aditivnega postopka T3DP. Neraziskan ostaja tudi vpliv strategije oblikovanja plasti iz posameznih linij združenih kapljic (ang. infill strategy). Strategija tiskanja je ključni procesni parameter, ki določa vrsto nastalih napak v oblikovancu, ki nadalje določajo mehansko trdnost in zanesljivost tako oblikovanih ter sintranih keramičnih komponent.
Cilj doktorske disertacije je bil sistematično preučiti zakonitosti in načrtovanje keramičnih suspenzij in celoten postopek T3DP za uspešno oblikovanje zanesljivih keramičnih komponent. Prvi del disertacije zaobjema načrtovanje in pripravo keramičnih suspenzij na osnovi parafinskega voska z visoko vsebnostjo keramičnega prahu cirkonijevega oksida, pri čemer je bil prah dispergiran v vosek z uporabo kombinacije površinsko aktivnih snovi z različnimi dolžinami verig. Podrobno je bila preučena povezava med dolžino verige surfaktanta, možne konformacije, ko je adsorbiran na površini keramičnega delca in posledičnega vpliva na meddelčne interakcije, ter reološkega obnašanja suspenzij, kot so viskoznost, mejna strižna napetost, elastični in viskozni modul. Sledi preučevanje sposobnosti iztiskanja oziroma brizganja in združevanja posameznih kapljic v linije ter nanešene plasti na podlago kot posledico različnih reoloških lastnosti suspenzij v odvisnosti od danih meddelčnih interakcij. Ugotovljeno je bilo, da sta konformacija in debelina sloja surfaktantov ključna parametra, ki vplivata na reološke lastnosti in obnašanje termoplastične suspenzije. Glede na dolžino verige uporabljenih površinsko aktivnih snovi (2,4 nm ali 10 nm) ter njihovo množinsko razmerje so lahko delci v suspenziji šibko flokulirani ali dobro dispergirani. Izkaže se, da je poleg viskoznosti suspenzije izredno pomemba tudi prisotnost ter magnituda mejne strižne napetosti za uspešno oblikovanje linij in plasti s postopkom T3DP. Namen drugega dela disertacije je bil študirati vpliv strategije aditivnega oblikovanja palčk iz cirkonijevega oksida na upogibno trdnost, zanesljivost in naravo vnesenih napak tekom oblikovanja. Glede na uporabljeno strategijo oblikovanja, tj., 0°, 90° ali izmenično 0° + 90°, je bila preučena homogenost oblikovanih preizkušancev, končna sintrana gostota vrsta in velikost (fraktografija), upogibna trdnost ter Weibullova porazdelitev trdnosti. Za razliko od drugih postopkov aditivnega oblikovanja, kot na primer metode termoplastičnega spajanja filamenta (ang. fused filament fabrication), strategija oblikovanja plasti pri T3DP nima večjega vpliva na mehansko trdnost in tip napak. Kljub temu pa so bile izmerjene vrednosti Weibullovega modula vzorcev T3DP bistveno nižje od vrednosti, ki jih dosega keramika iz cirkonijevega oksida, pripravljena z drugimi postopki aditivnega oblikovanja. Fraktografska analiza je razkrila dva tipa napak, tj., primarne vnesene napake kot posledica nehomogenosti suspenzije in/ali sekundarne v obliki praznin kot posledica nepopolnega združevanja iztisnjenih kapljic, kar kaže na potrebo po izboljšavah tako pri homogenizaciji suspenzije kot pri nastavitvah procesnih parametrov.
T3DP tehnologija aditivnega oblikovanja omogoča izdelavo keramičnih komponent kompleksnih geometrij iz enega ali več keramičnih materialov, uporabnih na številnih področjih, kot so stomatologija, biomedicina, polprevodniška industrija in kataliza. Vendar pa je za uspešno implementacijo tehnologije T3DP bistveno razumevanje meddelčnih interakcij in posledičnega reološkega obnašanja suspenzij, ki se uporabijo kot surovine za tisk. Doktorska disertacija ponuja poglobljen vpogled na razumevanje in načrtovanje meddelčnih interakcij keramičnih delcev v parafinskih suspenzijah, ki določajo reološke lastnosti teh suspenzij, in definira meje za uspešno nanašanje kapljic s tehnologijo T3DP za aditivno oblikovanje keramičnih komponent.