Denne undersøgelse viser flere materielle additive manufacturing () ved hjælp af smeltet glødetrådens fabrikation (FFF) af rustfrit stål og zirconia.
Teknisk keramik er almindeligt anvendt til industri og forskning applikationer, samt for forbrugsvarer. I dag, stiger behovet for komplekse geometrier med forskellige tilpasningsmuligheder og gunstige produktionsmetoder kontinuerligt. Med sammenvoksede glødetrådens fabrikation (FFF) er det muligt at producere store og komplekse komponenter hurtigt med høj materialeudnyttelse. I FFF, er en kontinuerlig termoplastisk glødetråd smeltes i en opvarmet dyse og deponeret nedenfor. Skrivehovedet computerstyrede er flyttet for at opbygge den ønskede form lag på lag. Undersøgelser vedrørende udskrivning af metaller eller keramik stiger mere og mere i forskning og industri. Denne undersøgelse fokuserer på additive manufacturing (AM) med en multi materielle tilgang til at kombinere en metal (rustfrit stål) med en teknisk keramik (zirconia: ZrO2). Kombinerer disse materialer tilbyder en bred vifte af applikationer på grund af deres elektriske og mekaniske egenskaber. Papiret viser de vigtigste spørgsmål i udarbejdelse af materiale og råvare, enhed udvikling og udskrivning af disse kompositter.
Ifølge ISO/ASTM er tilsætningsstof fremstillingsindustrien (AM) den generelle betegnelse for teknologier, der skaber fysiske objekter baseret på en geometrisk repræsentation af successive tilsætning af materielle1. Derfor, disse teknologier tilbyder muligheden for fremstilling af komponenter med ekstremt komplekse geometri, som ikke kan nås af alle andre forme teknik kendt til forfatterne.
Keramiske materialer er blevet studeret siden den tidlige udvikling af de forskellige AM teknologier i det sidste kvart århundrede2,3; additive manufacturing af keramiske komponenter er imidlertid ikke topmoderne i modsætning til tilsætningsstoffet fremstilling af polymer eller metal komponenter. Flere oversigter om AM teknologier bruges til keramiske komponenter er givet ved Chartier et al. 4, Travitzky et al. 5 og Zocca et al. 6, som kan klassificeres efter tilstanden af det materiale, der er brugt – pulver materialer, flydende materialer og solide materialer4,5 eller efter slags materiale deposition og størkning6 . AM enheder findes der tillader tilsætningsstof fremstilling af tætte og høj kvalitet keramiske komponenter med de ønskede egenskaber for de fleste programmer7,8,9,10 , 11.
Produktion af keramiske komponenter kræver komplekse behandling, og det er gået i stå fremskridt i AM af keramik. Keramiske komponenter er dog uundværlige for særlige forbrugsvarer og medicinsk udstyr og AM åbner nye horisonter for fremstilling af nye komponenter med “umulige” geometrier12. For tekniske keramiske komponenter, en efterfølgende varmebehandling af de fremstillede komponenter kræves siden AM udformningen af keramik kræver brug af pulvere opslæmmet i organiske bindemidler, der skal fjernes (dvs., emneprøver) før de pulver er smeltet sammen (dvs., sintring).
AM af multi materiale eller multi-funktionelle komponenter kombinerer fordelene ved AM og funktionelt graded materialer (FGM)13 i keramik-baserede 4 D-komponenter14. Materielle hybrider tillade ejendom kombinationer såsom elektrisk ledende/isolerende, magnetisk/ikke-magnetiske, duktilt/hårdt eller forskellige colorations. Hybrid komponenter kan udstille sensor eller aktuator funktioner kendt fra MEMS (mikro elektromekaniske systemer)15 så godt. Desuden, metal/keramiske kompositter kan supplere forbinder keramiske dele til maskiner, da konventionelle Svejselige stål partnere kan bruges.
Europæiske projekt cerAMfacturing (EU-projekt CORDIS 678503) er ved at udvikle AM teknologier for enkelt materialekomponenter samt en helt ny tilgang for AM multi materielle elementer, som vil tillade serieproduktion af tilpassede og multifunktionelle komponenter til forskellige applikationer12. Tre forskellige suspension-baserede AM teknikker er kvalificeret til at tillade AM af keramik-keramik samt metal-keramisk komponenter. Udnyttelsen af suspension-baserede AM teknikker lover forbedret komponent ydeevne i forhold til pulver-baserede metoder. Eftersom partikel fordelingen af pulver i en suspension er mere ensartet og mere kompakt end i en pulver seng, give disse forme metoder højere grønne tætheder, hvilket resultere i sintret komponenter med tætte mikrostrukturer og lav overfladeruhed niveauer12.
Sammen med litografi-baserede keramik produktion (LCM)7,8,9,10,11,16,17, smeltet glødetrådens fabrikation (FFF) og termoplastisk 3D-udskrivning (T3DP)12,14,18 er ved at blive udviklet. FFF og T3DP er mere velegnede til AM af multi materialekomponenter end LCM på grund af den selektive deposition og solidificering af det bestemte materiale i stedet for ren selektiv størkning af materiale deponeret over hele lag14 .
En yderligere fordel ved FFF og T3DP i forhold til LCM er brugen af termoplastiske bindemiddel systemer i stedet for foto-hærdning polymerer. Bindemiddel systemet muliggør behandling af pulvere uafhængigt af deres optiske egenskaber såsom absorption, emission og refleksion af elektromagnetiske bølger, fx, mørke og lyse materialer (i synlige spektrum), som er nødvendige for produktionen metal-keramisk komponenter19,20. Derudover er lav investering nødvendig for FFF udstyr, da en lang række standardenheder er tilgængelige. Denne teknik bliver økonomisk på grund af den høje materialeudnyttelse og genanvendelige materialer. Endelig er FFF nemt at opskalere til store dele, da processen er baseret på at flytte skrivehovedet på aksler.
Dette paper præsenterer de første resultater af fremstillingsprocessen metal-keramisk komposit ved hjælp af FFF. Derudover præsenteres den tekniske kombination af FFF og T3DP enheder, selv om det er stadig under udvikling. I forbindelse med FFF er filamenter af termoplastisk polymerer smeltet og selektivt ekstruderet ved hjælp af to counter roterende elementer. Når materialet er ekstruderet gennem dysen, størkner det ved afkøling, muliggør fremstilling af komponenter lag på lag. For at producere endelige keramiske og metalliske komponenter, har en variant af processen været udviklede21,22,23,24,25,26. De polymere stoffer, kendt som bindemidler, er meget fyldt med en keramisk eller metallisk pulver. Når udformningen af komponenterne, der er gennemført ved hjælp af de konventionelle FFF tilgang, der to yderligere trin påkrævet. Først, de polymere komponenter skal fjernes helt fra enhederne i emneprøver fase, skaber en struktur med talrige mikro-størrelse porer. For at nå de endelige egenskaber, sintret pulver sammentrykker efterfølgende ved en temperatur på under smeltepunktet af materialet. Brug denne fremgangsmåde, produktion af materialer som silicon nitride, smeltet silica, piezoelektriske keramik, rustfrit stål, wolframcarbid-kobolt, aluminiumoxid eller titandioxid23,24,25 er blevet med held udført andetsteds.
Brugen af meget fyldt polymere filamenter og karakteristisk for processen stille visse krav i materialer21. God kompatibilitet skal gives mellem komponenterne termoplastiske bindemiddel og pulver, som skal fordeles ensartet ved hjælp af kompoundering teknikker ved temperaturer over smeltepunktet af organisk bindemiddel komponenter, såsom æltning eller shear rullende. Da solid glødetråden skal fungere som et stempel i printhovedet at presse den smeltede materiale, er en høj stivhed og en lav viskositet forpligtet til at aktivere ekstrudering af materiale gennem dysen typisk diametre strækker sig fra 0,3 til 1,0 mm. I mellemtiden, skal materialet besidder tilstrækkelig fleksibilitet og styrke til at være formet som en glødetråd, der kan blive sat i kø. Hvis du vil kombinere alle disse egenskaber og samtidig have en høj belastning af pulver, udviklet forskellige multi-komponent binder systemer har været21,22,26.
Ud over brugen af passende bindemiddel formulering, har en ny drivende system været ansat i dette arbejde. Tandede drivhjul er anvendte til at skubbe glødetråden gennem dysen. Disse tænder kan beskadige sprødt glødetråden. For at reducere filamenter mekaniske krav og øge ekstrudering pres under FFF proces, blev den konventionelle FFF system af tandede drivhjul erstattet af en særlig dobbelt bælte system. Høj friktion og vejledning er genereret på grund af længden, form og særlige gummibelægning af Bælterne. Det vigtigste spørgsmål var at forebygge enhver buckling glødetrådens gennem printhovedet. Glødetråden skal være styret hele vejen til dysen, ingen plads er tilladt, og de nødvendige overgange mellem komponenterne skal overvejes.
Efter at have forladt den fodring enhed, træder glødetråden dyse enhed. De vigtigste mål var designet temperatur styring og gapless vejledning. Udviklede skrivehovedet er vist i figur 1.
Figur 1 : CAD model af den nye bælte drevet enhed (øverst) og billede af den reelle enhed (nederst). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
En anden stor udfordring at blive behandlet for produktion af metal-keramisk komponenter er udvælgelsen af pulvere, der tillader Co forarbejdning under termisk behandling (sammenlignelige koefficient for termisk udvidelse (CTE), temperatur regimer og atmosfære) og især justeringen af svind funktionsmåden for begge materialer under trinnet sintring. I dette arbejde, et forsøg på at kombinere zirconia og modificeret rustfrit stål 17-4PH, da de har en sammenlignelig CTE (ca. 11 x 10-6k) og kan være sintret på de samme betingelser (reducere brint atmosfære, sintring temperaturen: 1350-1400 ° C). For at justere svind adfærd, er en særlig fræsning procedure for metallisk pulver imidlertid krævede19,20.
Zirconia og rustfrit stål anvendes her er meget velegnet til den Co sintring af metal-keramisk komponenter på grund af den sammenlignelige CTE, sintring temperaturen og sintring atmosfære. Sintering funktionsmåden for zirconia og rustfrit stål energiafgrøder kan modificeres af behandling af rustfrit stål pulver (figur 9) med succes. Ved hjælp af de nævnte materialer og metoder, er det muligt at fremstille makroskopisk fejlfri dele af FFF for første gang. Til forfatternes viden kendes ingen andre sammenlignelige AM metode til fremstilling af sådanne dele bortset fra T3DP19,20. Én ansøgning om metal keramiske komponenter er vist i Figur 17, som er en radiator med en elektrisk ledende loopes rustfrit stål i en isolerende zirconia matrix.
En af de største udfordringer for FFF af metallisk og keramiske komponenter er den dramatiske stigning i stivhed og sprødhed af filamenter på grund af den høje tørstofindhold. Valg af de rigtige binder komponenter var derfor afgørende for projektets succes. Derudover kan styrke og fleksibilitet af glødetrådenes forbedres ved brug af en høj shear blanding teknik (figur 7). Ifølge tidligere undersøgelser med meget fyldt systemer28, kan denne forbedring skyldes en bedre pulver dispersion og reduktion af vandbad29,30.
Undersøgelse og tilpasning af ekstrudering, trække og spooling hastigheder under produktionsprocessen glødetrådens tilladt produktion af højt partikel-fyldt filamenter med de rette dimensioner. Andre parametre som temperaturfordelingen i ekstruder samt brugen af køleenheder betydeligt påvirket glødetrådens kvalitet og blev valgt omhyggeligt.
Begge filamenter blev behandlet i FFF-enheden korrekt. Vedhæftning mellem energiafgrøder blev anset for at være meget godt i grøn tilstand (figur 7-9). Kun nogle små ubesatte mængder var synlig, som er typisk for en topmoderne FFF proces (Figur 13). For at lukke disse kritiske diskenheder med termoplastiske materialer, FFF-enheden var udstyret med to mikro udlevering enheder kendt fra T3DP18,19,20,31,32, som Tillad aflejring af enkelt droplets til at lukke de utilstrækkelige fyldt diskenheder samt fremstilling af finere strukturer (Figur 14 og 15).
Geometriske begrænsninger af del kompleksitet eller opløsning er stærkt afhængige af printer setup den løbende materiale flow samt den anvendte udskæring software. Designregler og den resulterende del udseende findes på de fleste for at være svarer til at bruge FFF af plast.
The authors have nothing to disclose.
Dette projekt har modtaget støtte fra EUs Horisont 2020 forskning og Innovation-programmet under Grant aftale nej 678503.
Zirconia | TZ-3YS-E | Tosoh, Europe B.V. | |
Stainless steel | UNS17400 -38 µm | Sandvik Osprey Ltd. | |
Table of Devices and Software | |||
slicing software | Simplify 3D | Simplify 3D, USA | |
roller rotors mixer | Plasti-Corder PL2000 | Brabender GmbH & Co. KG, Germany | |
3D printer | model Ceram | HAGE, Austria | |
cutting mill | SM200 | Retsch Gmbh Germany | |
corotating extruder | ZSE 18 HP-48D | Leistrutz Extrusionstechnik GmbH, Germany | |
laser measurementdevice | Diagnostic Laser 2010 | SIKORA AG, Germany | |
capillary rheometer | Rheograph 2002 | Göttfert Werkstoff-Prüfmaschinen GmbH, Germany | |
single screw extruder | FT-E20T-MP-IS | Dr. Collin GmbH, Germany | |
tungsten furnace | Hochtemperatur-Wolframofen WOHV 250/300-1900V | MUT Advanced Heating GmbH | |
debinding furnace | Retorten-Entbinderungsofen RRO 280 / 300-900V | MUT Advanced Heating GmbH | |
attrition mill | PE 1.4 | Erich NETZSCH GmbH & Co. Holding KG, Germany | |
PBM (planetary ball mill) | PM 400 | Retsch Gmbh, Germany |