Optimizing Photocuring Properties of Ceramic Slurries in Stereolithography

Abstract

Additive manufacturing methods, or 3D printing techniques, play a key role in creating and developing new production methods across various industries. Currently, 3D printing can be applied in numerous fields, such as the automotive, aerospace, and space industries, as well as in biomedical applications. Among 3D printing techniques, stereolithography stands out for its ability to produce high-quality parts with exceptional detail and precision. In stereolithography, objects are built layer by layer using photopolymerization to harden liquid resin.

Ceramic stereolithography, thanks to its high resolution, is a promising technique for manufacturing advanced ceramic components with complex geometries. However, ceramic slurry contains ceramic particles that significantly influence UV light absorption and scattering, which in turn affects the curing depth and width of the ceramic slurry. Several factors impact the curing accuracy of photopolymerizable ceramic slurries, including the type of photosensitive resin, the applied energy dose, and the concentrations of the photoinitiator and light absorber used. This study investigated the photopolymerization properties of ceramic slurries in stereolithography. The goal was to optimize the composition of photopolymerizable ceramic slurries and printing parameters to achieve the best possible printing accuracy. Key factors examined included the effects of the choice and concentration of photoinitiators and dyes on the accuracy and properties of the printed parts.

The study found that the photoinitiators BAPO, TPO, and Irgacure 369, as well as the dyes tartrazine and new coccine, and their concentrations significantly influenced the curing depth and width of the ceramic slurry. As the photoinitiator concentration (0.1–0.5 wt%) increased, the curing width of the ceramic slurry expanded, while the curing depth remained constant. Additionally, the choice of photoinitiator affected the curing depth and width. The optimal photoinitiator for the working wavelength used in this study (405 nm) was TPO at a concentration of 0.1 wt%. Furthermore, increasing the dye concentration (0.1–0.4 wt%) reduced the curing width but also decreased the curing depth. The choice of dye significantly influenced the curing depth and width, with tartrazine at a concentration of 0.4 wt% being optimal for the working wavelength used. On average, the addition of dyes reduced curing depth and width by approximately 30%, which affects the control of the geometric features and resolution of the printed components.

The results of this study demonstrated that the concentration and type of photoinitiator and dye are critical variables in the printing process of photopolymerizable ceramic slurries. Additionally, controlling excess exposure is essential to prevent overcuring, as overcuring can lead to deformations in printed parts and degraded mechanical properties.

Additiiviset valmistusmenetelmät eli 3D-tulostustekniikat ovat keskeisessä roolissa monilla teollisuuden aloilla uusien valmistusmenetelmien luomisessa ja kehittämisessä. Tällä hetkellä 3D-tulostusta voidaan käyttää monissa erilaisissa sovelluskohteissa esimerkiksi autoilu-, ilmailu-, avaruusteollisuudessa, sekä biolääketieteessä. 3D-tulostustekniikoista stereolitografialla voidaan valmistaa korkealaatuisia osia poikkeuksellisen yksityiskohtaisesti ja tarkasti. Stereolitografiassa kappale rakennetaan hyödyntäen fotopolymerointia nestemäisen hartsin kovettumiseksi kerros kerrokselta.

Keraaminen stereolitografia on korkean resoluutionsa ansiosta lupaava tekniikka geometrisesti monimutkaisten kehittyneiden keraamisten osien valmistukseen. Keraaminen liete sisältää kuitenkin keraamisia hiukkasia, jotka vaikuttavat merkittävästi UV-valon adsorptioon ja sirontaan, mikä vaikuttaa keraamisen lietteen kovettumissyvyyteen ja -leveyteen. Valokovettuvan keraamisen lietteen kovettumistarkkuuteen vaikuttaa useat tekijät, esimerkiksi valoherkän hartsin tyyppi, käytetty energia-annos, sekä käytettyjen fotoinitiaattorin ja valon absorboijan pitoisuudet.

Tässä työssä tutkittiin keraamisten lietteiden valokovettuvia ominaisuuksia stereolitografiassa. Tutkimuksen tavoitteena oli optimoida valokovettuvien keraamisten lietteiden koostumusta ja tulostusparametreja parhaan mahdollisen tulostustarkkuuden saavuttamiseksi. Keskeisiä tarkasteltavia tekijöitä olivat fotoinitiaattorien ja väriaineiden valinnan ja konsentraation vaikutus tulostettujen osien tarkkuuteen ja ominaisuuksiin.

Tutkimuksessa havaittiin, että käytetyt fotoinitiaattorit BAPO, TPO ja Irgacure 369 sekä väriaineet tartratsiini ja uusi kokkiini ja niiden konsentraatiot vaikuttavat merkittävästi keraamisen lietteen kovettumissyvyyteen ja kovettumisen levenemiseen. Fotoinitiaattorin konsentraation (0.1–0.5 wt%) kasvaessa keraamisen lietteen kovettumisen leventyminen lisääntyy, mutta kovettumissyvyys pysyy samana. Lisäksi kovettumisen leventymiseen ja kovettumissyvyyteen vaikuttaa fotoinitiaattorin valinta. Optimaalinen fotoinitiaattori tässä tutkimuksessa käytetylle työaallonpituudelle (405 nm) oli TPO konsentraatiolla 0.1 wt%. Lisäksi tutkimuksessa havaittiin, että väriaineen konsentraation (0.1–0.4 wt%) kasvaessa keraamisen lietteen kovettumisen leventyminen pienenee, mutta samalla myös kovettumissyvyys pienenee. Väriaineen valinta vaikuttaa merkittävästi kovettumissyvyyteen ja kovettumisen leventymiseen. Optimaalinen väriaine tässä tutkimuksessa käytetylle työaallonpituudelle oli tartratsiini konsentraatiolla 0.4 wt%. Keskimäärin väriaineiden lisäys vähentää kovettumissyvyyttä ja kovettumisen leventymistä noin 30 %, mikä puolestaan vaikuttaa tulostettujen kappaleiden geometristen ominaisuuksien ja resoluution hallintaan.

Työn tulokset osoittivat, että sekä fotoinitiaattorin ja väriaineen konsentraatio, että tyyppi ovat kriittisiä muuttujia valokovettuvien keraamisten lietteiden tulostusprosessissa. Lisäksi todettiin, että ylimääräisen valotuksen hallinta on tärkeää ylikovettumisen estämiseksi, koska ylikovettuminen voi johtaa tulostettujen osien epämuodostumiin ja heikentyneisiin mekaanisiin ominaisuuksiin.