Przetwarzanie materiału ceramicznego technologiami

Małgorzata RUSIŃSKA, Anna WOŹNA Katedra Technologii Laserowych, Automatyzacji i
Organizacji Produkcji, Politechnika Wrocławska, Wrocław
Przetwarzanie materiału ceramicznego technologiami przyrostowymi
PROCESSING OF CERAMIC MATERIAL WITH ADDITIVE
MANUFACTURING TECHNOLOGIES
Słowa kluczowe: drukowanie 3D, SLM, hydroksyapatyt, polilaktyd
1. WSTĘP
W artykule omówiono dwie przyrostowe technologie wytwarzania w zastosowaniu do
uzyskiwania kompozytów bioresorbowalnych, mogących znaleźć swoje zastosowanie w
medycynie rekonstrukcyjnej kości.
Otrzymywane kompozyty składają się z ceramiki hydroksyapatytowej (HAp) oraz polimeru
bioresorbowalnego – polilaktydu (PLA). Pierwszą z analizowanych technologii jest 3D Printing,
czyli drukowanie 3D (3DP). Technologia ta charakteryzuje się prostotą i szerokim wachlarzem
zastosowań, jednak ma również swoje wady. Drugą z analizowanych technologii jest technologia
oparta na SLM (Selective Laser Melting), która polega na miejscowym przetapianiu materiału w
postaci proszku w celu uzyskania modelu 3D.
2. OMÓWIENIE TECHNOLOGII PRZYROSTOWYCH
2.1. Drukowanie 3D – 3DP
Technologia 3DP została opracowana w Massachusetts Institute of Technology (MIT)
w Cambridge. Jej zaletą jest to, że nie wymaga zapewnienia specjalnych warunków
środowiskowych, sukces procesu zależy od doboru odpowiednich materiałów oraz
podstawowych parametrów. Zasada działania opiera się na nanoszeniu kolejnych warstw
sproszkowanego materiału na platformę, grubość warstw jest podyktowana rozmiarem ziaren
stosowanego proszku, które z reguły mieszczą się w przedziale 80-250 µm. Następnie przy
pomocy dysz drukujących dozowane jest ciekłe lepiszcze, łącząc ziarna proszku zgodnie
z geometrią danego przekroju poprzecznego modelu. Kiedy dwuwymiarowa warstwa modelu
zostaje ukończona, nanoszona jest kolejna warstwa czystego proszku. Cykl wytwarzania jest
powtarzany, łącząc kolejne warstwy aż do momentu ukończenia budowy całego modelu.
Niespojony proszek stanowi konstrukcję wspierającą. Budowę urządzenia oraz zasadę działania
technologii 3DP przedstawia Rysunek 1 a).
W opisanym procesie otrzymuje się model w tzw. postaci zielonej, jest on porowaty, a
cząsteczki proszku połączone są ze sobą jedynie małymi mostkami spoiwa. Wyrób taki jest
kruchy i dlatego najczęściej poddaje się go dodatkowo obróbce wykańczającej w celu nadania
wymaganych właściwości mechanicznych.
XI Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 110
a) Drukowanie 3D
b) Technlogia oparta o SLM
Rysunek 1. Schemat: a) drukowania 3D, b) technologii opartej na SLM
2.2. Technologia oparta na SLM
W technologii laserowej to laser topi proszek, zaaplikowanego na ruchome łoże robocze
materiału, w ściśle określonych miejscach (na podstawie modelu .slt). Koncepcja działania SLM
przedstawiona jest na rysunku 1 b).
Proszki stosowane w spiekaniu laserowym mają średnice cząstek zwykle od 20-100 μm. Po
nałożeniu proszku na ruchome łoże robocze wiązka lasera selektywnie spieka poszczególne
cząsteczki, które następnie krzepną tworząc jednolitą warstwę. Następnie następuje obniżenie
platformy roboczej oraz zostaje naniesiona nowa warstwa luźnego proszku i proces jest
powtarzany analogicznie. Cząsteczki nowej warstwy przy krzepnięciu ponadto łączą się ze starą,
tworząc tym samym część modelu przestrzennego.
W opisywanym procesie otrzymuje się model gotowy – nie wymagający dodatkowej obróbki,
poza usunięciem nadmiaru proszku, który mógł się przylepić do modelu za sprawą działania sił
adhezji.
LITERATURA
[1] Hench L. L.: Bioceramics: From Concept to Clinic, J. Am. Ceram. Soc. 74, str. 1487-1510,
1991.
[2] Leukers B. et al.:Biocompatibility of ceramic scaffolds for bone replacement made by 3D
printing, Mat.-wiss. u. Werkstofftech 36, str. 781-787, 2005.
[3] Dybała B., Lipowicz A.: Building customised medical biomodels, including scaffolds, in rapid
prototyping technologies – a review, Production Engineering "Knowledge – VisionFramework Programmes", str. 69-74, 2006.
[4] Ion J.C.: Laser Processing of Engineering Materials, Elsevier, 2005
[5] Pielichowska K., Blazewicz S.: Bioactive Polymer/Hydroxyapatite (Nano)composites for
Bone Tissue Regeneration, Advanced Polymer Science (2010) 232:97-207, kwiecień 2010.
[6] Zhao J., Guo L.Y., Yang X.B., Weng J.: Preparation of bioactive porous HA/PCL composite
scaffolds. Applied Surface Science 255 (2008) 2942 – 2946, 2008
Zadanie współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego