Modular additive manufacturing of ceramics via solvent assisted interfacial joining

Stel je voor dat je een kathedraal probeert te bouwen van glas. Je kunt het gesmolten materiaal niet simpelweg in een mal gieten, omdat de vorm te complex is, met holle kamers en draaiende bogen die onder hun eigen gewicht zouden bezwijken voordat ze uitharden. Decennialang hebben wetenschappers een techniek genaamd additieve fabricage, vaak bekend als 3D-printen, gebruikt om dit op te lossen. Door een object laag voor laag op te bouwen, kunnen ze ingewikkelde keramische vormen maken die voorheen onmogelijk te maken waren. Deze methode heeft echter een hardnekkige beperking: de grootte van het object wordt beperkt door de grootte van de machine. Als je een onderdeel wilt dat groter is dan de bouwkamer van de printer, zit je vast. Je kunt niet één enkel stuk printen, en het aan elkaar lijmen van afzonderlijke stukken laat meestal een zwakke naad achter die onder druk breekt.

Een team onderzoekers aan het Harbin Institute of Technology heeft een manier gevonden om deze omvangbeperking te omzeilen zonder in te boeten op sterkte. Ze ontwikkelden een methode om keramische onderdelen in kleinere secties te printen en deze vervolgens zo naadloos samen te smelten dat het uiteindelijke object zich gedraagt alsof het in één stuk is gemaakt. In plaats van lijm of hitte te gebruiken om de stukken te verbinden, gebruiken ze een eenvoudige vloeibare oplosmiddel om het oppervlak van de geprinte onderdelen tijdelijk te verzachten, waardoor de keramische deeltjes op moleculair niveau kunnen mengen en opnieuw kunnen verbinden. Deze aanpak, die ze modulaire additieve fabricage noemen, maakt de creatie van grote, complexe keramische structuren mogelijk die op meerdere machines geprint en samengevoegd kunnen worden tot een enkele, solide eenheid.

De kern van deze ontdekking ligt in een speciale vloeibare mengeling, of slurry, die wordt gebruikt voor het printen. Normaal gesproken, wanneer je met keramiek print, meng je fijn keramisch poeder met een vloeibare hars die uithardt wanneer deze aan licht wordt blootgesteld. De onderzoekers hebben dit recept aangepast door een specifiek type polymeerketen toe te voegen die zich gedraagt als een lange, flexibele rope. Wanneer het licht de hars uithardt om een solide laag te vormen, kruisen deze polymeerketens zich niet tot een rigide netwerk; in plaats daarvan blijven ze als losse, lineaire strengen bestaan. Deze subtiele verandering is cruciaal. Wanneer de onderzoekers later een oplosmiddel, zoals butylacetaat, aanbrengen op het oppervlak van een geprint keramisch onderdeel, absorberen deze losse polymeerketens de vloeistof en zwellen ze op. Ze raken ontward en worden weer vloeibaar, waardoor het harde oppervlak van het keramische onderdeel verandert in een zachte, gelachtige laag.

Deze tijdelijke geltoestand is de sleutel tot het verbindingsproces. Wanneer twee geprinte keramische stukken tegen elkaar worden gedrukt terwijl hun oppervlakken zich in deze geltoestand bevinden, diffunderen de polymeerketens van het ene stuk naar het andere. Terwijl ze de grens overgaan, nemen ze de keramische poederdeeltjes met zich mee, waardoor de twee oppervlakken effectief in elkaar worden gemengd. De deeltjes worden niet langer gescheiden door een duidelijke lijn; ze zijn verstrengeld binnen het polymeernetwerk. Zodra het oplosmiddel verdampt, raken de polymeerketens weer verstrengeld en harden ze uit, waardoor de keramische deeltjes op hun plaats worden vergrendeld. Het resultaat is een verbinding waarbij de interface tussen de twee oorspronkelijke stukken is verdwenen, vervangen door een continue, verenigde structuur.

De onderzoekers testten deze methode door twee soorten keramische modules samen te voegen. In het eerste scenario voegden ze twee vers geprinte, ongebakken keramische stukken samen, ook wel 'green bodies' genoemd. In het tweede scenario voegden ze een vers geprint 'green body' samen met een stuk keramiek dat al gebakken en uitgehard was. Voor het eerste type was het proces opmerkelijk snel; een korte bevochtiging van het oppervlak van slechts vijftien seconden was voldoende om een sterke verbinding te creëren. Voor het tweede type, waarbij één stuk al hard en poreus was, was het proces iets zorgvuldiger. De onderzoekers ontdekten dat als ze het harde stuk niet voorbehandelden, het oplosmiddel diep in de poriën werd gezogen, wat de verbinding verzwakte. Door de poriën van het harde stuk af te dichten met gesmolten was voordat ze het samenvoegden, zorgden ze ervoor dat het oplosmiddel aan het oppervlak bleef, waardoor de verbinding in ongeveer dertig seconden effectief kon worden gevormd.

Om te bewijzen dat deze samengevoegde stukken werkelijk één solide object waren, onderwierp het team de onderdelen aan rigoureuze tests. Ze bogen de samengevoegde keramische staven totdat ze braken. In elk geval hielden de samengevoegde secties net zoveel gewicht als een staaf die in één continu stuk was geprint zonder samenvoeging. De sterkte van de verbinding was niet een fractie van het geheel; het was gelijk aan het geheel. Dit was een belangrijke bevinding, omdat eerdere methoden voor het verbinden van keramiek vaak resulteerden in zwakke punten waar het materiaal als eerste zou falen. Hier was de interface ononderscheidbaar van de rest van het materiaal.

De onderzoekers keken ook in de samengevoegde gebieden met krachtige microscopen om te zien wat er op microscopisch niveau gebeurde. Ze ontdekten dat de keramische deeltjes dicht opeengepakt en uniform verdeeld waren over de grens, zonder gaten of scheuren. Na het uiteindelijke verhittingsproces, waarbij het polymeer wordt verwijderd en de keramische deeltjes aan elkaar worden gesmolten, groeiden de kristalstructuren over de grenslijn heen. In sommige gevallen groeiden de kristallen zelfs van de ene kant van de verbinding naar de andere, waardoor de lijn waar de twee stukken elkaar hadden ontmoet volledig werd uitgewist. Deze microscopische continuïteit is wat de uiteindelijke object de sterkte geeft, door ervoor te zorgen dat de spanning tijdens het gebruik gelijkmatig over de gehele structuur wordt verdeeld in plaats van zich te concentreren bij een zwakke naad.

De ware kracht van deze methode wordt duidelijk wanneer men kijkt naar wat er gebouwd kan worden. De onderzoekers demonstreerden drie verschillende toepassingen. Ten eerste creëerden ze een geneste sfeer, een structuur waarbij een kleinere bal in een grotere holle schil zit. In traditionele fabricage zou dit steunpunten vereisen om de binnenste bal tijdens het printen op zijn plaats te houden, wat onmogelijk te verwijderen zou zijn zodra de buitenste schil gesloten is. Door de binnenste en buitenste schillen als aparte modules te printen en samen te voegen, creëerden ze een vrij draaiende binnenste sfeer zonder dat er steunpunten nodig waren. Ten tweede bouwden ze een metamateriaal, een complexe roosterstructuur die ontworpen is om unieke fysieke eigenschappen te hebben. Door kleine, identieke eenheden te printen en deze samen te voegen, konden ze veel sneller een grote structuur creëren dan wanneer ze alles in één keer zouden printen, en dit konden ze doen met behulp van meerdere printers die parallel aan elkaar werkten. Ten slotte assembleerden ze een gespannen structuur, waarbij ze commercieel beschikbare keramische platen combineerden met een complex, kettingachtig centrum dat volgens hun methode was geprint. Deze hybride aanpak stelde hen in staat om een structuur te creëren die een belasting kon dragen, wat aantoonde dat verschillende fabricagetechnieken gecombineerd en afgewisseld kunnen worden om aan de behoeften van het ontwerp te voldoen.

Dit werk suggereert een nieuwe weg voor de fabricage van keramiek. Het beweegt weg van het idee dat een onderdeel door een enkele machine in één keer moet worden gemaakt. In plaats daarvan behandelt het het fabricageproces als het assembleren van een puzzel, waarbij elk stuk wordt geprint tot de optimale grootte en vervolgens wordt samengevoegd tot een geheel. De methode is eenvoudig en vereist alleen een oplosmiddel en een korte wachttijd, maar het overwint de fundamentele beperkingen van omvang en doorvoersnelheid die het vakgebied hebben tegengehouden. Door te garanderen dat de samengevoegde onderdelen even sterk zijn als het originele materiaal, hebben de onderzoekers aangetoond dat modulair printen niet slechts een noodoplossing is, maar een levensvatbare strategie voor het creëren van grote, hoogwaardige keramische componenten voor de luchtvaart, de energiesector en andere veeleisende industrieën. De toekomst van keramische fabricage gaat misschien niet over het bouwen van grotere printers, maar over het vinden van slimmere manieren om de stukken die we al hebben met elkaar te verbinden.