इस अध्ययन से पता चलता है बहु सामग्री additive विनिर्माण () स्टेनलेस स्टील और zirconia के जुड़े रेशा निर्माण (FFF) का उपयोग कर ।
तकनीकी सिरेमिक व्यापक रूप से औद्योगिक और अनुसंधान अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जाता है, के रूप में अच्छी तरह के रूप में उपभोक्ता वस्तुओं के लिए । आज विविध अनुकूलन विकल्प और अनुकूल उत्पादन विधियों के साथ जटिल geometries की मांग लगातार बढ़ रही है । जुड़े रेशा निर्माण (FFF) के साथ, यह उच्च सामग्री दक्षता के साथ जल्दी से बड़े और जटिल घटकों का उत्पादन करने के लिए संभव है. FFF में, एक सतत थर्माप्लास्टिक रेशा पिघला हुआ है एक गर्म नोक में और नीचे जमा । कंप्यूटर नियंत्रित प्रिंट सिर के लिए परत द्वारा वांछित आकार परत का निर्माण करने के लिए ले जाया जाता है । धातुओं या चीनी मिट्टी की छपाई के संबंध में जांच अनुसंधान और उद्योग में अधिक से अधिक बढ़ रहे हैं । इस अध्ययन के additive विनिर्माण पर केंद्रित है (AM) एक बहु सामग्री दृष्टिकोण के साथ एक धातु (स्टेनलेस स्टील) एक तकनीकी सिरेमिक (zirconia: ZrO2) के साथ गठबंधन करने के लिए । इन सामग्रियों के संयोजन उनके विभिंन विद्युत और यांत्रिक गुणों के कारण आवेदनों की एक व्यापक विविधता प्रदान करता है । कागज सामग्री और टाक, डिवाइस के विकास, और इन कंपोजिट की छपाई की तैयारी में मुख्य मुद्दों को दर्शाता है ।
आईएसओ/एएसटीएम के अनुसार, additive विनिर्माण (AM) प्रौद्योगिकियों कि भौतिक1सामग्री के उत्तराधिकारी के अलावा एक ज्यामितीय प्रतिनिधित्व के आधार पर वस्तुओं बनाने के लिए सामांय शब्द है । इसलिए, इन प्रौद्योगिकियों अत्यंत जटिल ज्यामिति, जो किसी भी अंय आकार देने के लेखकों को ज्ञात तकनीक से प्राप्त नहीं किया जा सकता है के साथ विनिर्माण घटकों की संभावना प्रदान करते हैं ।
सिरेमिक सामग्री पिछले तिमाही सदी2,3में अलग हूं प्रौद्योगिकियों के प्रारंभिक विकास के बाद से अध्ययन किया गया है; हालांकि, चीनी मिट्टी के घटकों के additive विनिर्माण बहुलक या धातु घटकों के additive विनिर्माण के विपरीत कला का राज्य नहीं है । AM के बारे में कई दृश्य सिरेमिक घटकों के लिए इस्तेमाल किया प्रौद्योगिकियों Chartier एट अल द्वारा दिया जाता है । 4, Travitzky एट अल. 5 और Zocca एट अल. 6, जो सामग्री का उपयोग किया जाता है की स्थिति के अनुसार वर्गीकृत किया जा सकता है पाउडर सामग्री, तरल सामग्री, और ठोस सामग्री4,5 या सामग्री जमाव और solidification 6 की तरह के अनुसार . AM उपकरणों उपलब्ध है कि सबसे अनुप्रयोगों के लिए वांछित गुणों के साथ घने और उच्च गुणवत्ता सिरेमिक घटकों के additive विनिर्माण की अनुमति7,8,9,10 , 11.
चीनी मिट्टी के घटकों के उत्पादन जटिल प्रसंस्करण की आवश्यकता है, और यह चीनी मिट्टी की चीज़ें के AM में प्रगति ठप कर दिया है । फिर भी, सिरेमिक घटक विशेष उपभोक्ता वस्तुओं और चिकित्सा उपकरणों के लिए अपरिहार्य हैं, और कर रहा हूं “असंभव” geometries12के साथ उपंयास घटकों के निर्माण के लिए नए क्षितिज को खोलता है । तकनीकी सिरेमिक घटकों के लिए, निर्मित घटकों के बाद थर्मल उपचार के बाद से आवश्यक है के रूप में चीनी मिट्टी की चीज़ें कर रहा हूं पाउडर के उपयोग की आवश्यकता है कार्बनिक बांधने में निलंबित है कि (यानी, बाध्यकारी) से पहले हटा दिया जाना चाहिए पाउडर एक साथ जुड़े हुए है (यानी, sintering) ।
बहु के am सामग्री या बहु-कार्यात्मक घटकों के लाभ को जोड़ती है am और कार्यात्मक वर्गीकृत सामग्री (खात्मा)13 सिरेमिक आधारित 4d-14घटकों में । सामग्री संकर जैसे विद्युत प्रवाहकीय/अछूता, चुंबकीय/गैर-चुंबकीय, तन्य/हार्ड या अलग रंग गुण संयोजन की अनुमति दें । संकर घटक संवेदक या एमईएमएस (माइक्रो विद्युत सिस्टम)15 के रूप में अच्छी तरह से जाना जाता कार्यों को प्रदर्शित कर सकते हैं । इसके अलावा, धातु/चीनी मिट्टी कंपोजिट मशीनों में चीनी मिट्टी के हिस्सों में शामिल होने के बाद से पारंपरिक वेल्डन इस्पात भागीदारों इस्तेमाल किया जा सकता पूरक कर सकते हैं ।
यूरोपीय परियोजना cerAMfacturing (यूरोपीय संघ-परियोजना कोर्डिस ६७८५०३) हूं विकासशील एकल सामग्री घटकों के लिए प्रौद्योगिकियों के रूप में के रूप में अच्छी तरह से बहु के am के लिए एक पूरी तरह से नए दृष्टिकोण सामग्री घटक है, जो अनुकूलित के धारावाहिक उत्पादन की अनुमति देगा और विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए बहुआयामी घटक12. तीन अलग निलंबन आधारित तकनीक हूं योग्य को चीनी मिट्टी के हूं, सिरेमिक के रूप में के रूप में अच्छी तरह से धातु सिरेमिक घटकों की अनुमति है । निलंबन आधारित AM तकनीक का उपयोग पाउडर आधारित तरीकों की तुलना में बेहतर घटक प्रदर्शन का वादा किया है । क्योंकि एक निलंबन में पाउडर के कण वितरण अधिक सजातीय और एक पाउडर बिस्तर की तुलना में अधिक कॉंपैक्ट है, इन आकार देने के तरीकों उच्च हरी घनत्व उपज है, जो घने microstructures और कम सतह किसी न किसी के साथ sintered घटकों में परिणाम स्तर12.
लिथोग्राफी आधारित सिरेमिक विनिर्माण (LCM)7,8,9,10,11,16,17के साथ-साथ, जुड़े रेशा निर्माण (FFF) और थर्माप्लास्टिक 3डी प्रिंटिंग (T3DP)12,14,18 विकसित की जा रही है । FFF और T3DP के लिए अधिक उपयुक्त है बहु सामग्री घटकों के LCM की तुलना में चयनात्मक जमाव की वजह से और solidification सामग्री के शुद्ध चयनात्मक solidification के बजाय सभी पूरी परत 14 भर में जमा .
LCM की तुलना में FFF और T3DP का एक अतिरिक्त लाभ थर्माप्लास्टिक बांधने की मशीन के बजाय फोटो इलाज पॉलिमर का उपयोग है । बांधने की मशीन प्रणाली ऐसे अवशोषण, उत्सर्जन और विद्युत चुंबकीय तरंगों के प्रतिबिंब के रूप में अपने ऑप्टिकल संपत्तियों के स्वतंत्र पाउडर के प्रसंस्करण में सक्षम बनाता है, जैसे, अंधेरे और चमकदार सामग्री (दृश्यमान रेंज में), जो उत्पादन के लिए आवश्यक है धातु सिरेमिक घटकों के19,20। इसके अलावा, कम निवेश FFF उपकरण के लिए आवश्यक मानक उपकरणों की एक बड़ी विविधता के बाद से उपलब्ध हैं । इस तकनीक के कारण उच्च सामग्री दक्षता और पुनर्नवीनीकरण सामग्री के लिए किफायती हो जाता है । अंत में, FFF बड़े भागों के लिए आसान है के बाद से प्रक्रिया एक्सल पर प्रिंट सिर चलती पर निर्भर करता है ।
यह कागज विनिर्माण धातु सिरेमिक कंपोजिट FFF का उपयोग कर के पहले परिणाम प्रस्तुत करता है । इसके अतिरिक्त, FFF और T3DP इकाइयों के तकनीकी संयोजन प्रस्तुत किया है, हालांकि यह अभी भी विकास के अधीन है । FFF प्रक्रिया में, थर्माप्लास्टिक पॉलिमर के रेशा पिघल रहे हैं और दो काउंटर घूर्णन तत्वों की कार्रवाई द्वारा चयनात्मक रूप से बाहर निकाला । एक बार सामग्री नोजल के माध्यम से बाहर निकाला है, यह ठंडा द्वारा जम, घटकों के उत्पादन परत से परत को सक्षम करने से । अंतिम सिरेमिक और धातु घटकों का उत्पादन करने के लिए, इस प्रक्रिया का एक संस्करण21,22,23,24,25,26विकसित किया गया है । बहुलक यौगिकों, binders के रूप में जाना जाता है, अत्यधिक एक चीनी मिट्टी या धातु पाउडर से भर रहे हैं । घटक का आकार देने के एक बार पारंपरिक FFF दृष्टिकोण का उपयोग कर आयोजित किया गया है, दो अतिरिक्त कदम की आवश्यकता है । सबसे पहले, बहुलक घटकों पूरी तरह से बाध्यकारी चरण में नमूनों से हटा दिया जाना चाहिए, कई सूक्ष्म आकार pores के साथ एक संरचना पैदा । अंतिम गुण प्राप्त करने के लिए, पाउडर संकुचित बाद में सामग्री के पिघलने बिंदु के नीचे एक तापमान पर sintered हैं । इस दृष्टिकोण का उपयोग करना, इस तरह के सिलिकॉन नाइट्राइड के रूप में सामग्री का उत्पादन, जुड़े सिलिका, piezoelectric चीनी मिट्टी की चीज़ें, स्टेनलेस स्टील्स, टंगस्टन कार्बाइड-कोबाल्ट, एल्यूमिना या टाइटेनियम डाइऑक्साइड23,24,25 अन्यत्र सफलतापूर्वक आयोजित किया गया है ।
अत्यधिक-भरा बहुलक रेशा का उपयोग और इस प्रक्रिया की विशेषता21सामग्री में कुछ आवश्यकताओं को लागू । अच्छा संगतता थर्माप्लास्टिक बांधने की मशीन घटकों और पाउडर के बीच प्रदान किया जाना चाहिए, जो कार्बनिक बांधने की मशीन घटकों के पिघलने बिंदु के ऊपर तापमान पर जटिल तकनीक का उपयोग कर वितरित homogeneously होना चाहिए, जैसे कि गूंध या कतरनी रोलिंग । के बाद से ठोस रेशा के लिए प्रिंट सिर में एक पिस्टन के रूप में कार्य करने के लिए पिघला हुआ सामग्री धक्का है, एक उच्च कठोरता और कम चिपचिपापन ठेठ व्यास के साथ नोजल के माध्यम से सामग्री के बाहर निकालना सक्षम करने के लिए आवश्यक है ०.३ से लेकर १.० mm । इस बीच, सामग्री पर्याप्त लचीलापन और शक्ति के अधिकारी के लिए एक रेशा है कि स्पूल किया जा सकता है के रूप में आकार का होना चाहिए । इन सभी गुणों गठबंधन जबकि पाउडर का एक उच्च लोड होने, विभिंन बहु घटक बांधने की मशीन प्रणाली21,22,26विकसित किया गया है ।
पर्याप्त बांधने की मशीन के उपयोग के अलावा, एक नई ड्राइविंग प्रणाली इस काम में नियोजित किया गया है । सामान्यतः, दांतेदार ड्राइव पहियों नोजल के माध्यम से रेशा धक्का करने के लिए उपयोग किया जाता है । ये दाँत भंगुर रेशा को नुकसान पहुँचा सकते हैं. आदेश में रेशा की यांत्रिक आवश्यकताओं को कम करने और FFF प्रक्रिया के दौरान बाहर निकालना दबाव बढ़ाने के लिए, दांतेदार बना ड्राइव पहियों के पारंपरिक FFF प्रणाली एक विशेष दोहरी बेल्ट प्रणाली की जगह थी । उच्च घर्षण और मार्गदर्शन लंबाई, आकार, और बेल्ट के विशेष रबर कोटिंग के कारण उत्पंन होता है । सबसे महत्वपूर्ण मुद्दा प्रिंट सिर के माध्यम से रेशा के किसी भी बकसुआ रोक रहा था । रेशा नोजल के लिए सभी तरह से निर्देशित किया जाना चाहिए, कोई मुक्त स्थान की अनुमति दी है, और घटकों के बीच आवश्यक संक्रमण पर विचार किया जाना चाहिए ।
फीडिंग यूनिट छोड़ने के बाद रेशा नोजल यूनिट में प्रवेश करता है । मुख्य लक्ष्यों को तापमान प्रबंधन और gapless मार्गदर्शन डिजाइन किए गए थे । विकसित प्रिंट सिर चित्रा 1में दिखाया गया है ।
चित्रा 1 : नई बेल्ट ड्राइव यूनिट (ऊपर) और वास्तविक इकाई (नीचे) की छवि के सीएडी मॉडल । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
एक और बड़ी चुनौती धातु के उत्पादन के लिए संबोधित किया जा करने के लिए सिरेमिक अवयव पाउडर का चयन है कि थर्मल उपचार के दौरान सह प्रसंस्करण की अनुमति (थर्मल विस्तार (CTE), तापमान शासन, और वातावरण के तुलनीय गुणांक) और sintering कदम के दौरान दोनों सामग्रियों के सिकुड़न व्यवहार का विशेष रूप से समायोजन । इस काम में, एक प्रयास zirconia और संशोधित स्टेनलेस स्टील 17-4PH गठबंधन किया है क्योंकि वे एक तुलनीय CTE है (लगभग 11 x 10-6/K) और एक ही स्थिति में sintered जा सकता है (हाइड्रोजन वातावरण को कम करने, sintering तापमान: १३५०-१४०० डिग्री सेल्सियस) । हालांकि, संकोचन व्यवहार, धातु पाउडर के लिए एक विशेष मिलिंग प्रक्रिया को समायोजित करने के लिए19,20की आवश्यकता है ।
zirconia और स्टेनलेस स्टील यहां इस्तेमाल किया धातु के सह sintering के लिए बहुत उपयुक्त हैं, क्योंकि तुलनीय CTE, sintering तापमान, और sintering वातावरण की सिरेमिक घटकों । zirconia और स्टेनलेस स्टील टाक के sintering व्यवहार को स्टेनलेस स्टील पाउडर के उपचार द्वारा समायोजित किया जा सकता है (9 अंक) सफलतापूर्वक । उल्लेखित सामग्रियों और विधियों का उपयोग करके, पहली बार FFF द्वारा macroscopic दोष-मुक्त भागों का निर्माण संभव है । लेखकों के ज्ञान के लिए, कोई अंय तुलनीय AM विधि T3DP19,20के अलावा इस तरह के भागों का निर्माण करने के लिए जाना जाता है । धातु सिरेमिक घटकों के लिए एक आवेदन चित्रा 17में दिखाया गया है, जो एक अलग zirconia मैट्रिक्स में एक विद्युत आयोजन looped स्टेनलेस स्टील के साथ एक हीटिंग तत्व है ।
धातु और सिरेमिक घटकों के FFF के लिए प्रमुख चुनौतियों में से एक उच्च ठोस सामग्री के कारण रेशा की कठोरता और भंगुरता की नाटकीय वृद्धि हुई है । इसलिए, सही बांधने घटकों के चयन परियोजना की सफलता के लिए एक महत्वपूर्ण कारक था । इसके अलावा, शक्ति और रेशा की लचीलापन एक उच्च कतरनी मिश्रण तकनीक (चित्रा 7) के उपयोग से सुधार किया जा सकता है । 28अत्यधिक भर प्रणालियों के साथ पिछले अध्ययनों के अनुसार, यह सुधार एक बेहतर पाउडर फैलाव और agglomerates29,30की कमी के कारण हो सकता है ।
जांच और बाहर निकालना के समायोजन, खींच और रेशा उत्पादन प्रक्रिया के दौरान स्पूलिंग गति उचित आयामों के साथ अत्यधिक कण-भरे रेशा के उत्पादन की अनुमति दी । बाहर निकालना मशीन के रूप में के रूप में अच्छी तरह से ठंडा उपकरणों के उपयोग के भीतर तापमान वितरण की तरह अंय मापदंडों काफी रेशा गुणवत्ता को प्रभावित किया और ध्यान से चुना गया ।
दोनों रेशा सफलतापूर्वक FFF-डिवाइस में संसाधित किए गए थे । टाक के बीच आसंजन को हरित प्रदेश (चित्रा 7-9) में बहुत अच्छा पाया गया । केवल कुछ छोटे infill खंड दिखाई दे रहे थे, जो आम तौर पर कला FFF प्रक्रिया (चित्रा 13) के एक राज्य के लिए कर रहे हैं । थर्माप्लास्टिक सामग्री के साथ इन महत्वपूर्ण संस्करणों को बंद करने के लिए, FFF-डिवाइस दो सूक्ष्म वितरण T3DP18,19,20,31,३२से जाना जाता इकाइयों से सुसज्जित किया गया था, जो एकल बूंदों के जमाव को अपर्याप्त भरी मात्रा के साथ-साथ महीन संरचनाओं के विनिर्माण (आंकड़ा 14 और 15) को बंद करने की अनुमति दें ।
भाग जटिलता या संकल्प के ज्यामितीय प्रतिबंध जोरदार प्रिंटर सेटअप निरंतर सामग्री प्रवाह के रूप में के रूप में अच्छी तरह से इस्तेमाल की टुकड़ा करने की क्रिया सॉफ्टवेयर पर निर्भर हैं । डिजाइन नियमों और परिणामी भाग उपस्थिति प्लास्टिक के FFF का उपयोग करने के लिए समान होने के लिए सबसे अधिक पाया जाता है ।
The authors have nothing to disclose.
इस परियोजना को यूरोपीय संघ के क्षितिज २०२० अनुसंधान और नवाचार कार्यक्रम अनुदान समझौते सं ६७८५०३ के तहत से धन प्राप्त हुआ है ।
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 |