Denna studie visar multimaterial additiv tillverkning (AM) använder smält glödtråden fabrication (FFF) av rostfritt stål och zirkonium.
Teknisk keramik används allmänt för industri-och forskning samt för konsumtionsvaror. Idag är ökar efterfrågan på komplexa geometrier med olika anpassningsalternativ och gynnsamma produktionsmetoder kontinuerligt. Med smält glödtråden fabrication (FFF) är det möjligt att producera stora och komplexa komponenter snabbt med hög materialeffektivitet. I FFF, är en kontinuerlig termoplastiska glödtråd smälte i en uppvärmd munstycke och deponeras nedan. Datorstyrda skrivhuvudet flyttas för att bygga upp den önskade formen lager för lager. Utredningar angående utskrift av metaller eller keramik ökar mer och mer i forskning och industri. Denna studie fokuserar på additiv tillverkning (AM) med ett multimaterial tillvägagångssätt att kombinera en metall (rostfritt stål) med en teknisk keramik (zirconia: ZrO2). Kombinera dessa material erbjuder ett brett utbud av applikationer på grund av deras olika elektriska och mekaniska egenskaper. Papperet visas de huvudsakliga problemen i beredning av material och råmaterial, enhet utveckling och utskrift av dessa kompositer.
Enligt ISO/ASTM är additiv tillverkning (AM) den allmänna termen för teknik som skapar fysiska objekt baserat på en geometrisk representation genom successiva tillägg material1. Dessa tekniker erbjuder därför möjligheten att tillverka komponenter med extremt komplexa geometri, som inte kan uppnås med någon annan forma teknik som är känd till författarna.
Keramiska material har studerats sedan den tidiga utvecklingen av de olika AM-teknologierna i senaste kvartalet talet2,3; additiv tillverkning av keramiska komponenter är dock inte toppmoderna i motsats till additiv tillverkning av polymerer eller metall komponenter. Flera översikter om AM teknikerna används för keramiska komponenter ges av Chartier o.a. 4, Travitzky et al. 5 och Zocca o.a. 6, som kan klassificeras enligt det material som används – pulver, flytande material, och fasta material4,5 eller enligt sorten av materiella nedfall och solidificationen6 . AM enheter är tillgängliga som gör att additiv tillverkning av tät och hög kvalitet keramiska komponenter med de önskade egenskaperna för de flesta applikationer7,8,9,10 , 11.
Tillverkning av keramiska komponenter kräver komplexa bearbetning, och detta har stannat framsteg i AM av keramik. Keramiska komponenter är dock oundgänglig för särskilda konsumtionsvaror och medicintekniska produkter och AM öppnar nya horisonter för tillverkning av nya komponenter med ”omöjliga” geometrier12. För tekniska keramiska komponenter, en efterföljande värmebehandling av de tillverkade komponenterna krävs sedan AM forma keramik kräver användning av pulver upphängd i organiska bindemedel som måste tas bort (dvs., avdrivning) innan den pulver är sammansvetsade (dvs, sintring).
AM av multimaterial eller Multi-funktionella komponenter kombinerar fördelarna med AM och funktionellt graderade material (Könsstympning)13 i keramik-baserade 4 D-komponenter14. Material hybrider tillåter boende kombinationer såsom elektriskt ledande/isolerande, magnetiska/icke-magnetiska, segjärn/hårt eller olika färgsättningar. Hybrid-komponenter kan ställa ut sensorn eller ställdon funktioner känd från MEMS (micro elektromekaniska system)15 samt. Metall och keramisk kompositer kan dessutom komplettera förbinder keramiska delar till maskiner eftersom konventionella svetsbara stål partners kan användas.
Det europeiska projektet cerAMfacturing (EU-projekt CORDIS 678503) utvecklar AM teknik för enda materialkomponenter samt en helt ny metod för AM av multi-material komponenter, vilket gör att serieproduktion av anpassade och Multifunktionell komponenter för olika applikationer12. Tre olika suspension-baserade AM tekniker är kvalificerade att tillåta AM av keramik-keramik samt metall-keramiska komponenter. Utnyttjandet av suspension-baserad teknik för AM lovar bättre komponent prestanda jämfört med pulver-baserade metoder. Eftersom fördelningen av partiklarnas av pulvret i en suspension är mer homogen och mer kompakt än i en pulver-säng, ge dessa forma metoder högre grön densiteter, vilket resultera i sintrade komponenter med tät mikrostrukturer och låg ytråhet nivåer12.
Tillsammans med litografi-baserade keramik tillverkning (LCM)7,8,9,10,11,16,17, fused filament fabrication (FFF) och termoplastiska 3D-printing (T3DP)12,14,18 utvecklas. FFF och T3DP är mer lämpade för AM av multi-material komponenter än LCM på grund av selektiv nedfall och solidifiering av vissa material istället för ren selektiv solidifiering av material som deponeras över hela lagret14 .
En ytterligare fördel med FFF och T3DP jämfört med LCM är användningen av termoplastiska bindemedel system i stället för foto-härdning polymerer. Binder systemet möjliggör bearbetning av pulver oberoende av deras optiska egenskaper såsom absorption, utsläpp och reflektion av elektromagnetiska vågor, t.ex., mörka och ljusa material (i synliga området), vilket är nödvändigt för produktion metall-keramiska komponenter19,20. Dessutom krävs låg investering för FFF utrustning eftersom det finns ett stort utbud av standard enheter. Denna teknik blir ekonomiskt på grund av den höga materialeffektiviteten och återvinningsbart material. Slutligen, FFF är lätt att skala upp för stora delar eftersom processen bygger på flytta skrivhuvudet på axlar.
Detta dokument presenterar de första resultaten av tillverkning av metall-keramik kompositer med FFF. Dessutom presenteras en teknisk kombination av FFF och T3DP enheter, även om det är fortfarande under utveckling. I FFF processen, är filament av termoplastiska polymerer smält och selektivt extruderas av två counter roterande element. När materialet extruderas genom munstycket, stelnar det genom att kyla, möjliggör produktion av komponenter lager-för-lager. För att producera slutliga keramiska och metalliska komponenter, varit en variant av processen utvecklade21,22,23,24,25,26. De polymera föreningar, känd som bindemedel, är mycket fyllda med ett keramiskt eller metalliskt pulver. När utformningen av komponenterna har genomförts enligt den konventionella FFF-metoden, krävs två ytterligare steg. Först, de polymera komponenterna måste tas bort helt från exemplaren i debinding scenen, genererar en struktur med många mikro-stora porer. För att uppnå de slutliga egenskaperna, är puderdosor därefter sintrad vid en lägre temperatur än smältpunkten för materialet. Med hjälp av denna strategi, produktion av material såsom kiselnitrid, smält kiseldioxid, piezoelektriska keramer, rostfritt stål, volframkarbid-kobolt, aluminiumoxid eller titandioxid23,24,25 har varit framgångsrikt genomfört någon annanstans.
Användningen av mycket fyllda polymera filament och kännetecken av processen ställa vissa krav i material21. God kompatibilitet måste tillhandahållas mellan termoplastiska bindemedel komponenter och pulvret, som måste fördelas homogent med kompoundering tekniker vid temperaturer över smältpunkten för organiskt bindemedel komponenter, såsom knådning eller skeva rullande. Eftersom solid glödtråden har att agera som en pistong i skrivhuvudet att driva det smälta materialet, krävs en hög styvhet och en låg viskositet för att aktivera extrudering av materialet genom munstycket med typiska diametrar mellan 0,3 och 1,0 mm. Materialet ska samtidigt ha tillräckligt flexibilitet och styrka att formas som en glödtråd som kan buffras. För att kombinera alla dessa egenskaper samtidigt ha en hög belastning av pulver, utvecklat olika Multi-komponent bindemedel system har varit21,22,26.
Förutom användning av adekvat binder formulering, har ett nytt drivande system varit anställd i detta arbete. Tandade drivhjulen används vanligen, att driva glödtråden genom munstycket. Dessa tänder kan skada sprött glödtråden. För att minska de mekaniska kraven av glödtrådarna och öka extrudering trycket under processen FFF, ersattes konventionella FFF systemet med tandade drivhjulen av en speciell dual belt system. Hög friktion och vägledning genereras på grund av längden, formen och särskilda gummibeläggning av bälten. Den viktigaste frågan var att förhindra någon knäckning av glödtråden genom skrivhuvudet. Glödtråden måste vägledas ända till munstycket, inget ledigt utrymme är tillåtet och nödvändigt övergångarna mellan komponenterna måste beaktas.
Efter att ha lämnat den matande enheten, träder glödtråden munstycke enheten. De viktigaste målen var utformade temperatur management och gapless vägledning. Utvecklade skrivhuvudet visas i figur 1.
Figur 1 : CAD-modell av nya bälte-drivenhet (överst) och bilden av den verkliga enheten (nederst). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
En annan stor utmaning att tas upp för produktion av metall-keramiska komponenter är valet av pulver som tillåter samtidig bearbetning under värmebehandling (jämförbara koefficienten för termisk expansion (CTE), temperatur regimer och atmosfär) och framför allt justeringen av krympning uppförandet av båda materialen under sintring steg. I detta arbete, ett försök görs att kombinera zirconia och modifierade rostfritt stål 17-4PH eftersom de har en jämförbar CTE (ca 11 x 10-6k) och kan vara sintrad på samma villkor (minska väte atmosfären, sintring temperatur: 1350-1400 ° C). För att justera beteendet krympning, är dock en särskild fräsning procedur för metalliska pulvret krävs19,20.
Den Zirkonium och rostfritt stål som används här är mycket lämplig för den samtidig sintring av metall-keramiska komponenter på grund av den jämförbara CTE, sintring temperatur och sintring atmosfär. Sintring beteende Zirkonium och de rostfria råvaror kunde justeras genom behandling av rostfritt stål pulvret (figur 9) framgångsrikt. Med hjälp av nämnda material och metoder, är det möjligt att tillverka makroskopiska felfri delar av FFF för första gången. Till författarnas kunskap, är ingen annan jämförbar AM metod känt för att tillverka sådana delar utom T3DP19,20. En ansökan om metall keramiska komponenter visas i figur 17, vilket är ett värmeelement med en elektriskt ledande loopas rostfritt stål i en isolerande zirkonium matris.
En av de stora utmaningarna för FFF av metalliska och keramiska komponenter är den dramatiska ökningen av styvheten och brittlenessen av glödtrådarna på grund av det höga fasta innehållet. Valet av rätt bindemedel komponenter var därför en viktig faktor för framgången av projektet. Dessutom kan styrka och flexibilitet av glödtrådarna förbättras genom användning av en hög skjuvning blandning teknik (figur 7). Enligt tidigare studier med mycket fyllda system28, kan denna förbättring orsakas av en bättre pulver spridning och minskning av de agglomeratbildning29,30.
Utredning och justering av extrudering, dra och buffras hastigheter under glödtråden produktionsprocessen tillåtna produktionen av mycket partikel-fyllda filament med rätt dimensioner. Andra parametrar som temperaturfördelningen inom extrudern samt användning av kylanordningar avsevärt påverkat glödtråden kvaliteten och valdes noga.
Båda glödtrådarna bearbetades i FFF-enheten framgångsrikt. Vidhäftning mellan råvaror befanns vara mycket bra i det gröna tillståndet (figur 7-9). Endast några små ofyllda volymer var synliga, vilket är typiskt för en toppmodern FFF process (figur 13). För att stänga dessa kritiska volymer med termoplastiska material, FFF-enheten var utrustad med två micro tubens enheter känd från T3DP18,19,20,31,32, som tillåta nedfall av enstaka droppar att stänga de otillräckliga fyllda volymerna samt tillverkning av finare strukturer (figur 14 och 15).
Geometriska begränsningar av del komplexitet eller upplösning är starkt beroende av skrivarinställningarna kontinuerlig materialet flöda liksom programvaran används skivning. Designregler och resulterande del utseende finns mest att likna med FFF av plast.
The authors have nothing to disclose.
Detta projekt har beviljats medel från EU: s Horizon 2020 forsknings- och innovationsprogrammet under Grant avtal nr 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 |