Denne studien viser multi-materiale additiv produksjon (er) bruker smeltet filament fabrikasjon (FFF) av rustfritt stål og zirconia.
Teknisk keramikk er mye brukt for industri og forskning programmer og forbruksvarer. I dag er øker etterspørselen etter komplekse geometrier med ulike tilpasningsalternativer og gunstige produksjonsmetoder kontinuerlig. Med smeltet filament fabrikasjon (FFF) er det mulig å produsere store og komplekse komponenter raskt med høy materiell effektivitet. FFF, er en kontinuerlig termoplastisk filament smeltet i en oppvarmet dyse og deponert nedenfor. Datastyrt hodet flyttes for å bygge opp ønsket fasong lagvis. Undersøkelser om utskrift av metaller eller keramikk øker mer og mer i forskning og industri. Denne studien fokuserer på additiv produksjon (AM) med en multi-materiale tilnærming kombinere et metall (rustfritt stål) med en teknisk keramisk (zirconia: ZrO2). Kombinerer disse materialene tilbyr et bredt spekter av programmer på grunn av deres forskjellige elektriske og mekaniske egenskaper. Papiret viser hovedpunktene i utarbeidelsen av materialet og råstoff, enheten utvikling og utskrift av disse kompositter.
Ifølge ISO/ASTM er additiv produksjon (AM) den generelle betegnelsen for teknologier som oppretter fysiske objekter basert på en geometriske representasjon av påfølgende tillegg materiale1. Derfor gir disse teknologiene muligheten for produksjon komponenter med ekstremt komplekse geometri, som kan oppnås av noen andre forme teknikk kjent til forfatterne.
Keramiske materialer har vært studert siden den tidlige utviklingen av ulike AM teknologier i siste kvartal tallet2,3; additive industrien keramiske komponenter er imidlertid ikke toppmoderne i motsetning additiv produksjon av polymer eller metall komponenter. Flere oversikter om AM teknologiene anvendt for keramiske komponentene er gitt av Chartier et al. 4, Travitzky et al. 5 og Zocca et al. 6, som kan klassifiseres i henhold til staten av materialet som brukes – pulver materialer, flytende materialer og solide materialer4,5 eller ut fra materielle avsettelse og herding6 . AM enheter er tilgjengelige som tillater additiv produksjon av tett og høykvalitets keramiske komponenter med de ønskede egenskapene for de fleste programmer7,8,9,10 , 11.
Produksjon av keramiske komponenter krever komplisert behandling, og dette har stoppet fremdriften i AM av keramikk. Likevel er keramiske komponenter uunnværlig for spesielle forbruksvarer og medisinsk utstyr og AM åpner nye horisonter for fabrikasjon av romanen komponenter med “umulig” geometrier12. Tekniske keramiske komponenter, en påfølgende termalbehandling produserte komponenter kreves siden AM utformingen av keramikk krever bruk av pulver suspendert i organisk bindemidler som må fjernes (dvs., debinding) før den pulver er smeltet sammen (dvs. sintring).
AM av multi-materiale eller multi-funksjonelle komponenter kombinerer fordelene med AM og funksjonelt gradert materiale (FGM)13 i keramisk-basert 4 D-komponenter14. Materielle hybrider at egenskapen kombinasjoner som elektrisk ledende/isolerende, magnetiske/ikke-magnetisk, ductile/harddisk eller annen colorations. Hybrid komponenter kan vise sensor eller aktuator funksjoner kjent fra MEMS (mikro elektromekaniske systemer)15 også. Videre kan metal/keramiske kompositter utfylle begynte keramiske deler til maskiner siden konvensjonelle weldable stål partnere kan brukes.
Det europeiske prosjektet cerAMfacturing (EU-prosjekt CORDIS 678503) utvikler AM teknologier for enkelt materiale komponenter og en helt ny tilnærming til AM multi-materiale komponenter, som vil tillate serieproduksjon av tilpasset og multifunksjonelle komponenter for ulike programmer12. Tre ulike suspensjon-baserte AM teknikker er kvalifisert til å tillate AM keramiske keramisk samt metall keramisk komponenter. Utnyttelsen av suspensjon-baserte AM teknikker løfter bedre komponent ytelse i forhold til pulver-baserte metoder. Partikkel fordelingen av pulver i en suspensjon er mer homogen og mer kompakt enn i et pulver bed, gi metodene forme høyere grønne tettheter, som resulterer i sintered komponenter med tett microstructures og lav overflateruhet nivå12.
Sammen med litografi-baserte keramiske produksjon (LCM)7,8,9,10,11,16,17, smeltet filament fabrikasjon (FFF) og termoplastisk 3D-utskrift (T3DP)12,14,18 utvikles. FFF og T3DP er mer egnet for AM multi-materiale komponenter enn LCM selektiv avsettelse og herding av visse materiale i stedet for ren selektiv størkning materiale avsatt over hele laget14 .
En ekstra fordel av FFF og T3DP forhold til LCM er bruk av termoplastisk dokumentordner systemer i stedet for bilde-herding polymerer. Den bindemiddel gjør behandlingen av pulver uavhengig av deres optiske egenskaper som absorpsjon, utslipp og refleksjon av elektromagnetiske bølger, f.eks mørke og lyse materiale (i synlig område), som er nødvendig for produksjon metal keramisk komponenter19,20. Videre er lav investering nødvendig for FFF utstyr siden en rekke standard enheter er tilgjengelig. Denne teknikken blir økonomisk på grunn av den høye materialeffektivitet og resirkulerbare materialer. Endelig er FFF lett å oppskalere for store deler siden prosessen er avhengig av flytte skrivehodet aksler.
Dette dokumentet presenterer de første resultatene av produksjon metall-keramiske kompositter ved hjelp av FFF. I tillegg vises den tekniske kombinasjonen av FFF-og T3DP, selv om det er fortsatt under utvikling. I prosessen FFF er filamenter av termoplastisk polymerer smeltet og selektivt ekstrudert av to counter roterende elementer. Når materialet er ekstrudert gjennom munnstykket, størkner det av kjøling, slik at produksjonen av komponenter lag-på-lag. For å produsere endelig keramiske og metallisk komponenter, har en variant av prosessen vært utviklet21,,22,,23,,24,,25,,26. De polymere forbindelsene, kjent som binders, er svært fylt med en metallisk eller keramiske pulver. Når utformingen av komponentene er gjennomført ved hjelp av konvensjonelle FFF tilnærming, kreves det to ekstra trinn. Først må polymere komponentene helt fjernes fra de i debinding scenen, generere en struktur med flere mikrostørrelse porene. For å oppnå de endelige egenskapene, er pulver komprimerer deretter sintret ved en temperatur under Smeltepunkt av materialet. Bruker denne tilnærmingen, produksjon av materialer som silicon nitride, smeltet silika, piezoelectric keramikk, rustfritt stål, wolframkarbid-kobolt, alumina eller titandioksid23,24,25 har blitt vellykket utført andre steder.
Bruk av svært fylt polymere filamenter og karakteristisk for prosessen innføre visse krav i materialer21. God kompatibilitet må angis mellom termoplastisk dokumentordner komponentene og pulver, som må distribueres homogent bruke sammensatte teknikker ved temperaturer over Smeltepunkt av organisk bindemiddel komponenter, for eksempel elting eller skråstille rullende. Siden den solide filament har som et stempel i skrivehodet å presse smeltet materiale, kreves en høy stivhet og en lav viskositet aktivere byggesystemer materialet gjennom munnstykket med typiske diameter mellom 0,3 1.0 mm. I mellomtiden må materialet ha nok fleksibilitet og styrke å være formet som en filament som kan legges i kø. Hvis du vil kombinere alle disse egenskaper selv har en stor belastning av pulver, ulike multi-komponent dokumentordner systemene har vært utviklet21,22,26.
I tillegg til tilstrekkelig dokumentordner formulering, har en ny kjøring system vært ansatt i dette arbeidet. Vanligvis brukes toothed drivhjulene å presse filament gjennom munnstykket. Disse tennene kan skade den skjøre filament. For å redusere mekanisk kravene til filamenter og øke ekstrudering trykket under FFF prosessen, ble konvensjonelle FFF systemet av toothed drivhjulene erstattet av en spesiell dobbel båndsystem. Høy friksjon og veiledning genereres på grunn av lengden, formen og den spesielle gummibelegg av belter. Det viktigste spørsmålet hindrer noen buckling av filament gjennom skrivehodet. Filament må styres hele veien til munnstykke, ingen ledig plass er tillatt og nødvendig overganger mellom komponentene må vurderes.
Etter å ha forlatt mating, kommer filament munnstykke enheten. Hovedmålene var designet temperatur ledelse og gapless veiledning. Utviklet skrivehodet er vist i figur 1.
Figur 1 : CAD-modellen av nye belte enheten (øverst) og bilde av ekte (nederst). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
En annen stor utfordring adressert for produksjon av metall keramisk komponenter er utvalget av pulver som tillater co behandling i løpet av den termale behandlingen (sammenlignbare koeffisient av termisk ekspansjon (CTE), temperatur regimer og atmosfære) og spesielt justeringen av krymping virkemåten til begge materialene under sintring trinnet. I dette arbeidet, forsøk er gjort for å kombinere zirconia og endret rustfritt stål 17-4PH siden de har en tilsvarende CTE (ca. 11 x 10-6/K) og kan være sintret ved samme vilkår (redusere hydrogen atmosfære, sintring temperaturen: 1350-1400 ° C). For å justere krymping atferden, er imidlertid en spesiell fresing prosedyre for metalliske pulveret nødvendig19,20.
Zirconia og rustfritt stål er brukt her er svært godt egnet for co sintring metall keramisk komponenter på grunn av den sammenlignbare CTE sintring temperaturen og sintring atmosfære. Sintring virkemåten til zirconia og rustfritt stål feedstocks kan justeres ved behandling av rustfritt stål pulver (figur 9) vellykket. Ved hjelp av nevnte materialer og metoder, er det mulig å produsere makroskopisk feilfrie deler av FFF for første gang. Forfatternes vet, er ingen andre sammenlignbare AM metoden kjent for å produsere slike deler unntatt T3DP19,20. En søknad om keramiske metallkomponenter vises i Figur 17, som er varmekabel med en elektrisk ledende løkker rustfritt stål i et skille zirconia matrise.
En av de største utfordringene for FFF metalliske og keramiske komponenter er den dramatiske økningen av stivhet og skjørhet av filamenter på grunn av det høye solid innholdet. Derfor var valg av riktig dokumentordner komponentene en viktig faktor for suksess for prosjektet. Dessuten, kan styrke og fleksibilitet i filamenter forbedres ved bruk av en høy skjær miksing teknikk (figur 7). Ifølge tidligere studier med svært fylt systemer28, kan denne forbedringen være forårsaket av en bedre pulver spredning og reduksjon av agglomerates29,30.
Etterforskningen og justering av byggesystemer, trekke og spole hastigheter under produksjonsprosessen filament tillatt produksjon av svært partikkel-fylt filamenter med riktig dimensjoner. Andre parametre som temperatur fordelingen i extruder samt bruk av kjøleenheter betydelig påvirket filament kvaliteten og ble valgt nøye.
Begge filamenter ble behandlet i FFF-enheten. Vedheft mellom feedstocks ble funnet for å være svært god i grønne (figur 7-9). Bare noen små ufylte volumer var synlig, som er typisk for en toppmoderne FFF prosess (figur 13). For å lukke disse kritiske volumer med termoplastisk materiale, FFF-enheten ble utstyrt med to mikro dispensering enheter kjent fra T3DP18,19,20,31,32, som tillate avsetning av enkelt dråper lukke utilstrekkelig fylt volumene, samt produksjon av mindre strukturer (figur 14 og 15).
Geometriske begrensningene i del kompleksitet eller oppløsning er sterkt avhengig av skriveroppsettet kontinuerlig materialet flyt og brukte kutting programvaren. Reglene og det resultatet del er høyst funnet for å være ligner FFF plast.
The authors have nothing to disclose.
Dette prosjektet har mottatt finansiering fra EUs horisonten 2020 forskning og innovasjonsprogram under Grant avtalen ingen 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 |