Method Article

Multi materiaal keramiek gebaseerde componenten – Additive Manufacturing van zwart-witte Zirconia componenten door thermoplastische 3D-Printing (CerAM - T3DP)

DOI:

10.3791/57538

⸱

January 7th, 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS, 2Fraunhofer Singapore

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hier beschrijven we een protocol voor addiditief zwart-witte Zirkonia onderdelen productie door thermoplastische 3D-Printing (CerAM - T3DP) en mede sinteren gebrek-gratis.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De voordelen van Additive Manufacturing (AM) combineren met de voordelen van functioneel ingedeeld materialen (FGM) voor keramische gebaseerde 4D componenten (drie dimensies voor de meetkunde en een mate van vrijheid omtrent de materiële eigenschappen op elke positie) de Thermoplastische 3D-Printing (CerAM - T3DP) werd ontwikkeld. Het is een directe AM-technologie waarmee de AM multi materiële componenten. Om aan te tonen van de voordelen van deze technologie zwart-witte Zirkonia onderdelen additief werden vervaardigd en co gesinterd gebrek-gratis.

Twee verschillende paren van zwarte en witte Zirkonia poeders werden gebruikt voor het bereiden van verschillende kunststof schorsingen. Juiste verstrekking parameters werden onderzocht voor de vervaardiging van single-materiaal test onderdelen en aangepast voor de additieve vervaardiging van Multi-Color zirconia onderdelen.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Functioneel ingedeeld materialen (FGM) zijn materialen met een verscheidenheid van eigenschappen betreffende overgangen in de microstructuur of in de materiële1. Deze overgangen kunnen discreet of continu. Verschillende soorten VGV zijn bekend, zoals componenten met materiële verlopen, graded porositeit, alsmede multi-gekleurde componenten.

VGV-onderdelen kunnen worden vervaardigd door enkele conventionele vormgeving technologieën2,3,4,5,6,7 of een combinatie van deze technologieën, voor bijvoorbeeld door in-vorm labelen als een combinatie van tape gieten en spuitgieten8,9.

Additive manufacturing (AM) zorgt voor de productie van componenten met een tot dusver ongekende vrijheid van ontwerp. Dit wordt beschouwd als de ultramoderne technologie voor polymeren en metalen vormgeven. Eerste commerciële processen voor de verwerking van keramiek zijn beschikbaar10, en bijna alle bekende AM technologieën worden gebruikt voor AM van keramiek in laboratoria over de hele de wereld11,12,13.

Als u wilt combineren de voordelen van AM met de voordelen van VGV voor keramische gebaseerde 4D componenten (drie dimensies voor de meetkunde en een mate van vrijheid omtrent de materiële eigenschappen op elke positie) de thermoplastische 3D-Printing (CerAM - T3DP) is ontwikkeld op Fraunhofer IKTS in Dresden, Duitsland, als een directe AM-technologie. Hierdoor is de AM van multi materiële componenten14,15,16,17. CerAM - T3DP is gebaseerd op de selectieve afzetting van enkele druppels van deeltje gevuld thermoplastische schorsingen. Door gebruik te maken van meerdere doseren systemen, verschillende thermoplastische schorsingen naast elkaar laag voor laag tot bulk kunnen worden gedeponeerd materiaal evenals eigenschap verlopen binnen de addiditief vervaardigde groene onderdelen18. In tegenstelling tot indirecte AM processen, waarin eerder gedeponeerde materialen selectief over de gehele laag, de CerAM stollen - hoeft T3DP proces niet de extra inspanning van het verwijderen van niet-verhard materiaal vóór de afzetting van het volgende materiaal, waardoor het meer geschikt voor de AM multi materiële componenten.

Met behulp van de CerAM - T3DP proces maakt het mogelijk de AM van VGV en de realisatie van keramische gebaseerde componenten met ongekende eigenschappen, maar er zijn uitdagingen te overwinnen met betrekking tot de nodige thermische behandeling na het proces van AM, teneinde een Multi materiaal composiet. In het bijzonder moeten de gepaarde poeders in het composietmateriaal worden met succes mede gesinterd, waarvoor het sinteren van de onderdelen moet worden uitgevoerd bij de dezelfde temperatuur en sfeer. Daarom is het een voorwaarde voor alle materialen hebben een vergelijkbare sinteren temperatuur en gedrag (vanaf de temperatuur van het sinteren, krimp gedrag). Om te voorkomen dat kritieke mechanische stress tijdens het koelen, moet de thermische uitzettingscoëfficiënt van alle materialen ongeveer gelijk11.

De combinatie van materialen met verschillende eigenschappen in één component opent de deur naar componenten met ongekende eigenschappen voor vele toepassingen. Bijvoorbeeld RVS-Zirkonia composieten kunnen worden gebruikt als snijgereedschap, slijtvaste onderdelen, energie en brandstof celbestanddelen of als bipolaire chirurgische instrumenten19,20,21,22, 23,24. Deze onderdelen kunnen worden gerealiseerd door CerAM - T3DP14,15,16,17, ook na de aanpassing van het sinteren gedrag door een speciale frezen proces16.

Keramische gebaseerde VGV een gesorteerde poriëngrootte als dichte en poreuze zirconia combineren zeer goede mechanische eigenschappen in de dichte gebieden met een hoge actieve oppervlak van de poreuze gebieden. Dergelijke onderdelen kan addiditief worden vervaardigd door CerAM - T3DP18.

In deze paper onderzoeken we de AM zirconia componenten met twee verschillende kleuren in één onderdeel door CerAM - T3DP. We kozen voor witte en zwarte zirconia omdat deze combinatie in een keramische component interessant voor sieraden toepassingen is. De vraag van geïndividualiseerde luxegoederen is zeer hoog en nog steeds groeiende. Technologieën die het mogelijk de AM van keramische gebaseerde multi materiële componenten met een hoge resolutie en zeer goede oppervlakte-eigenschappen maken zal toestaan om deze vraag te voldoen. Keramiek zoals zirconia worden bijvoorbeeld gebruikt om producten horloge onderdelen zoals horloge gevallen en randen of voor ringen vanwege de speciale haptics, blik, hardheid en lager gewicht ten opzichte van metalen.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. thermoplastische schorsing voor CerAM - T3DP

  1. Selectie van poeders
    1. Gebruik voor de bereiding van de zwarte kunststof schorsingen zwarte Zirkonia poeders Zirkonia-zwart - 1 en zirconia zwart - 2.
    2. Gebruik voor de bereiding van de witte kunststof schorsingen Zirkonia-Wit - 1 en Zirkonia-wit - 2.
      Opmerking: De fabrikant van zirconia zwart - 2 gebruikt (4.2 wt.-%) pigmenten voor de kleuring van de zirconia en stelt ook dat beide poeders hetzelfde sinteren gedrag hebben. Bovendien, het hoge percentage van aluminiumoxide (20.43 wt.-%) draagt bij aan de witte kleur van Zirkonia-wit - 2. De poeders Zirkonia-zwart - 1 Zirkonia-Wit - 1 hebben een verschillende samenstelling en vereisen dus een verschillende sinteren temperatuur voor volledige compactie. In tegenstelling tot Zirkonia-Wit - 1bestaat Zirkonia-zwart - 1 hooguit 5 wt.-% pigmenten. De aanbevolen sinteren temperaturen zijn 1400 ° C voor zirconia zwart - 1 en 1350 ° C voor zirconia Wit - 1.
  2. Kenmerkend zijn de poeders met betrekking tot vorm, oppervlakte en korrelgrootteverdeling.
    Opmerking: Electron scanning microscopie beelden zijn gebruikt om het karakteriseren van de vorm van de deeltjes. De korrelgrootteverdeling van de benutte poeders werd gemeten door een laser diffractie methode (laser diffractometer). De metingen voor de specifieke oppervlakte-eigenschappen van de gebruikte poeders zijn getroffen door de vervaardiging.
  3. Voor de bereiding van de verschillende zirconia schorsingen smelt een mengsel van paraffine en bijenwas bij een temperatuur van 100 ° C in een verwarmbaar verbinding en meng het mengsel polymeer.
    1. Voeg vervolgens de poeder in verschillende stappen voor het bereiken van de inhoud van een poeder van 40 vol.%.
    2. Meng de poeder-polymeer-mengsel door roeren gedurende 2 uur bij 100 ° C. Zorg ervoor dat alle schorsingen dezelfde poeder inhoud (40 vol.%).
  4. Karakterisering van schorsingen
    1. Kenmerkend zijn de Rheologische gedrag van de gesmolten ophanging met behulp van een rheometer voor schuintrekken tarieven in een bereik tussen 0-5000/s voor verschillende temperaturen in een bereik van 85 ° C tot 110 ° C.
      Opmerking: We gebruikten een rheometer regelbaar zijn tussen-25 ° C tot 200 ° C met een plaat/plaat meetsysteem (25 mm doorsnede). Het koppel werd gemeten en de dynamische viscositeit werd berekend.
    2. Uitzetten van de dynamische viscositeit als functie van de shear rate en ervoor te zorgen dat de dynamische viscositeit onder 100 Pa·s voor een shear rate van 10/s, hieronder 20 Pa·s voor een shear rate van 100/s en onder 1 Pa·s voor een tarief van de afschuiving van 5.000/s of verhoging van is de temperatuur binnen het toegestane bereik.
    3. Verandering van de samenstelling van de opschorting door polymeer mengsel toe te voegen als de dynamische viscositeit te hoog zelfs bij een temperatuur van 110 ° C.

2. vervaardiging van enkele en multi materiële componenten door CerAM - T3DP

  1. Gebruikte apparaat
    Figuur 1 toont een CAD-tekening van de gebruikte CerAM - T3DP-apparaat met een profiel scanner en drie verschillende micro toedieningseenheden systemen, die kan werken, gelijktijdig of afwisselend gebeuren. Gebruik twee van hen te produceren zwart-onderdelen.
    1. Stel de afzetting van de druppels in op een frequentie tot 100/s en de assen om te gaan met een maximale snelheid van 20 mm/s.
  2. Onderzoek naar depositie parameters
    Onderzoeken van de invloed van de depositie parameters (werkt snelheden van de micro doseersysteem temperaturen van schorsing reservoir en mondstuk; snelheid van de as) op de eigenschappen van de resulterende druppels (vorm, volume; homogeniteit) of druppel Kettingen (vorm, volume; homogeniteit).
    1. Variëren van de depositie-parameters en enkele druppels evenals druppel ketens storten met behulp van verschillende frequenties en assen snelheden voor afzetting.
      Opmerking: De invloed van de parameters van de dispenser op de eigenschappen van de materialen is besproken vóór25. Parameter waarde grenzen zijn alleen empirisch vastgesteld.
    2. Zorg ervoor dat dat de afwijking in druppel hoogte en breedte keten mag niet meer dan 3%. Variëren de pulsbreedte van de parameters, druppel fusion factor (DFF) en extrusie breedte (segmenteringshulplijnen parameter) te compenseren diameter verschillen tot 100 micron en hoogte verschillen tot 50 micron.
      Opmerking: Het is niet nodig en waarschijnlijk niet mogelijk om te beseffen perfect gevormde hemisferen als enkele druppels, maar je moet ervoor zorgen dat de homogeniteit van de vorming van de druppel erg hoog is te garanderen van een homogene opbouw van de onderdelen.
    3. Herhaal deze stap en de verschillende initiële parameters te vinden een parameterset waarmee de meest homogene druppel vorm ten opzichte van de diameter van de druppel, breedte en hoogte.
  3. Vervaardiging van single-materiaal test onderdelen
    1. Gebruik een gegenereerde 3D-model van het gewenste deel en sla het bestand op als STL of AMF bestandsindeling.
    2. Een segmenteringshulplijnen programma (bijvoorbeeld Slicer 1 of 2 van de Slicer) gebruiken om de bijbehorende G-code te genereren. Stel de eigenschappen voor de shape van de druppel in stap 2.2 verworven.
    3. Uploaden van de G-code, en vul de procesparameters op de CerAM - T3DP-apparaat. Stel de CerAM - T3DP-apparaat voor de parameters in stap verkregen 2.2 die overeenkomen met aan de druppel vorm verstrekt aan de slicer. Start de software van het apparaat om te beginnen met de baan van het gebouw.
      Opmerking: Het is gunstig voor de vervaardiging van bepaalde monsters voordat het gewenste deel gebouw of het gebruik van nieuwe schorsingen.
  4. CerAM - T3DP van multi materiële componenten
    1. Voor elk materiaal betrokken uitvoeren stap 2.2.
    2. Selecteer verstrekking parameters voor beide materialen hebben ongeveer dezelfde druppel kenmerken.
    3. De hoogten van de laag aanpassen door het veranderen van de afstand tussen de enkele druppels en de resulterende overlapping te voorkomen dat verschillen in hoogten voor de verschillende materialen, die leiden grote gebreken en defecte onderdelen tot kunnen.
      Opmerking: Door het verminderen van de afstand tussen twee druppeltjes en de bijbehorende grotere overlapping, de breedte en de hoogte van de druppel keten verhoogt vanwege de bijna constante hoeveelheid de enkele druppels. Het kan worden waargenomen dat de druppel ketting breedte sneller dan de hoogte van de keten druppel stijgt.
    4. Gebruik een gegenereerde 3D-model van het gewenste deel en sla het bestand op als AMF bestanden. Indien ondersteund door de slicer die meerdere component gebieden kunnen ook worden opgeslagen in STL-bestandsindeling.
    5. Om te kunnen afdrukken multi materiële componenten, toewijzen overeenkomstige component gebieden aan het bijbehorende materiaal in de segmenteringshulplijnen software door het toewijzen van een overeenkomstige micro doseersysteem voor elk materiaal.
    6. Het genereren van de G-codes voor elk materiaal met behulp van de slicer software.
    7. Uploaden van de G-code, en vul de procesparameters op de CerAM - T3DP-apparaat. Stel de CerAM - T3DP-apparaat voor de parameters in stap verkregen 2.2 die overeenkomen met aan de druppel vorm verstrekt aan de slicer. Start de software van het apparaat om te beginnen met de baan van het gebouw.

3. Co-Debinding en co sinteren van Single - en Multi - anti-material onderdelen

  1. Debind de groene monsters in de volgende afzonderlijke stappen.
    1. Zet eerst de monsters in een losse bulk grofkorrelige aluminiumoxide poeder (poeder bed) structureel steunen de monsters zo goed dat een homogene temperatuur verdeling en het wegnemen van de binder materialen te bevorderen door de capillaire krachten.
    2. Uitvoeren van een debinding met een zeer lage opwarmsnelheid in een oven (debinding oven) onder lucht-sfeer tot 270 ° C. De opwarmsnelheid ingesteld op 4 K/h om ervoor te zorgen dat een defect-vrije debinding.
  2. Na deze eerste debinding stap Verwijder voorzichtig het beddengoed poeder bijvoorbeeld met een fijne penseel. Leg de monsters op aluminiumoxide oven meubels.
  3. Een tweede debinding stap onder lucht-atmosfeer van toepassing tot 900 ° C (12 K/h) in de dezelfde oven.
    Opmerking: Alle resterende organisch bindmiddel materialen waren thermisch verwijderd, terwijl het binnen in de zelfde stap een vooraf sinteren van de deeltjes zirconia is geïnitieerd zodat de latere overdracht van de monsters naar een sinteren oven.
  4. Ten slotte sinter de monsters onder lucht-sfeer op 1350 ° C (180 K/h) voor 2 h in een geschikte oven (sinteren oven). De krimp van de componenten door meting van de lengte in drie dimensies te karakteriseren en ervoor te zorgen dat er ongeveer 20% voor elke richting.

4. karakterisering van de componenten van de Single - en Multi - anti-material

  1. De monsters goed knippen en polijsten van de oppervlakte met behulp van ceramographic methoden.
  2. Het toepassen van onderzoeken op de microstructuur met behulp van veld emissie Scannende elektronenmicroscoop (FESEM).
  3. Inspecteer visueel of de poreusheid van de twee fasen en op het raakvlak van de grens van de gebruikte materialen. Voor een meer gedetailleerd resultaat analyses uit te voeren een interface, bijvoorbeeld door FESEM en latere foto analyse te onderzoeken van de porositeit binnen de gesinterde microstructuur.
    De gerichte poreusheid is minder dan 1%. Als de poreusheid te hoog is, variëren de depositie parameter stijgt (2.2) en/of het regime van de thermische behandeling (3).

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Voor de productie van gemeten componenten, zijn alleen poeders van dezelfde fabrikant gecombineerd voor elk onderdeel dat meerdere materiaal. Experimenten met poeders van verschillende fabrikanten in één component zijn nog niet afgerond. Voor dit doel rekening de verschillende shrink tarieven te worden gehouden.

Het resultaat van de meting van de diameter van de gemiddelde deeltjesgrootte (d50) van de zirconia Wit - 1 na de spreiding was 0,37 µm. De fabrikant stelt een werkelijke deeltjesgrootte van 0,04 µm (één orde van grootte minder). De gemiddelde deeltjesgrootte (d50) van de Zirkonia-zwart - 1 is 0,5 µm. Figuur 2 (A) toont de FESEM analyse van de zirconia Wit - 1 en Figuur 2 (B) een FESEM-afbeelding van het oppervlak van een granulaat in detail. Figuur 2 (C) en Figuur 2 (D) tonen hetzelfde voor zirconia zwart - 1. Zowel onbehandeld poeders bestaan uit grote bolvormige korrels (diameter tot 100 µm), hetgeen typisch is voor droge dringende grondstoffen. De FESEM-beelden van de oppervlakken granulaat Toon de primaire deeltjes van de zirconia Wit - 1 (Figuur 2 (B)) en Zirkonia-zwart - 1 (Figuur 2 (D)) met een werkelijke deeltjesgrootte van bijna 0,04 µ m.

De Figuur 2 (E) – 2 (H) tonen de FESEM-beelden van de zirconia wit - 2 en Zirkonia zwart - 2. De gemeten gemiddelde deeltjesgrootte (d50) van de zirconia poeders Zirkonia-wit - 2 en Zirkonia zwart - 2 zijn respectievelijk 0,27 µm en 0,25 µm, waarin de deeltjes aanwezig als bolvormige korrels met een diameter tot 100 µm (Figuur 2 (E) en Figuur 2 (G)). De grootte van de witte poeders primaire deeltjes is minder dan 0.1 µm (Figuur 2 (F)). De zwarte poeders primaire deeltjes zijn maximaal 0,5 µm in diameter (Figuur 2 (H)).

Figuur 3 (A) toont de dynamische viscositeit van de schorsingen op basis van Zirkonia-Wit - 1 en Zirkonia zwart - 1 als een functie van de shear rate en in afhankelijkheid van de temperatuur (85 ° C en 100 ° C). Beide schorsingen Toon een schuintrekken uitdunnen gedrag ongeacht de temperatuur.

Tabel 1 geeft een overzicht van de gemeten viscositeiten voor de schorsingen op verschillende schuintrekken tarieven en voor verschillende temperaturen.

Figuur 3 (B) ziet u de Rheologische werking voor de schorsingen op basis van Zirkonia-wit - 2 en Zirkonia zwart - 2 (85 ° C en 100 ° C). Alle grafieken tonen een schuintrekken uitdunnen van gedrag. Tabel 2 geeft een overzicht van de gemeten viscositeiten voor de schorsingen op verschillende schuintrekken tarieven en voor verschillende temperaturen.

Naast shear rate-gecontroleerde metingen, werden op lange termijn metingen uitgevoerd. Figuur 3 (C) toont het verloop van de dynamische viscositeit tijdens de lange termijn metingen voor alle vier suspensies met een constante schuintrekken snelheid van 10/s meer dan 2 uur. Terwijl de dynamische viscositeit van de witte Zirkonia schorsingen (Zirkonia-Wit - 1 en Zirkonia-wit - 2) bijna constant is (tabel 3), de dynamische viscositeit neiging om licht te dalen van de zwarte zirconia (Zirkonia-zwart - 1 en Zirkonia zwart - 2).

Na de empirische vaststelling van de dosering parameters de vervaardiging van één component, drie dimensionale structuren werd beheersbaar voor elke schorsing. Figuur 4 (A) toont een complexe gesinterd test structuur gebaseerd op de schorsing gemaakt van Zirkonia-Wit - 1 en addiditief vervaardigd door CerAM - T3DP. Dezelfde test structuur addiditief vervaardigd door CerAM - T3DP en de Zirkonia-zwart - 1-schorsing wordt weergegeven in Figuur 4 (B).

Figuur 4 (C) toont de structuur van een gesinterde test gebaseerd op de zirconia schorsingen van de zirconia wit - 2, Figuur 4 (D) de structuur van een gesinterde test gebaseerd op zirconia zwart - 2. Na de productie van de onderdelen van één kleur plaatsvond de vervaardiging van multi kleurcomponenten. De Figuur 4 (D) tot en met 4 (F) Toon Sommige gesinterd Multi-Color zirconia onderdelen additieve productie met behulp van de CerAM - T3DP.

Figuur 5 (A) en (B) van de Figuur 5 Toon FESEM-beelden van de microstructuur van Multi-Color componenten met een duidelijk te onderscheiden interface tussen de twee schorsingen op basis van de zirconia poeders zirconia Wit - 1 (boven) en Zirconia-zwart - 1 (onder).

Een energie-dispersieve x-stralen spectroscopische analyse (EDX) bleek dat in de microstructuur van de gesinterde Zirkonia-zwart - 1 meer aluminiumoxide korst optreedt (figuren 6 (A-C)). Voor de evaluatie van de samenstelling van de en Zirkonia-zwart - 1-microstructuur met name in de donkere gebieden in meer detail verder EDX onderzoek plaatsvond (figuren 6 (D-G)) waaruit bleek de neerslag van aluminiumoxide (Figuur 6 (E) ).

figure-results-1
Figuur 1: CAD-tekening van gebruikte CerAM - T3DP-apparaat met drie micro verstrekking eenheden en een oppervlakte scanner. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

figure-results-2
Figuur 2: FESEM-image van gebruikte zirconia granulaten. (A) Zirkonia-Wit - 1 granulaten - overzicht en (B) oppervlak; (C) Zirconia-zwart - 1 granulaten - overzicht en (D) oppervlak; (E) Zirconia-wit - 2 granulaten - overzicht en (F) oppervlak; (G) zirconia zwart - 2 granulaten - overzicht en (H) oppervlak.

figure-results-3
Figuur 3: Rheologische gedrag van thermoplastisch schorsingen. (A) gebaseerd op de zirconia poeders Zirkonia-Wit - 1 en Zirkonia-zwart - 1; (B) op basis van de zirconia poeders Zirkonia-wit - 2 en Zirkonia zwart - 2; (C) vergelijking van alle vier schorsingen tijdens een langdurige meting bij een constante shear rate van 10/s.

figure-results-4
Figuur 4: gesinterd single - en multi - anti-material testen structuren additief vervaardigd door T3DP. (A) op basis van Zirkonia-Wit - 1 -schorsing; (B) op basis van Zirkonia-zwart - 1 -schorsing; (C) op basis van Zirkonia-wit - 2 -schorsing; (D) op basis van zirconia zwart - 2 -schorsing; (E) op basis van Zirkonia-Wit - 1 - en Zirkonia-zwart - 1 -schorsing; (F) gebaseerd op Zirkonia-wit - 2- en Zirkonia zwart - 2 - schorsing - frame-achtige structuur en (G) ring-achtige structuur.

figure-results-5
Figuur 5: FESEM-images. FESEM-beelden van doorsnede op interface tussen gesinterd Zirkonia-Wit - 1 (boven) en Zirkonia-zwart - 1 (onder); -Vlakke interface (A) en (B) met elkaar verweven interface

figure-results-6
Figuur 6: Resultaten van EDX metingen op gesinterd Zirkonia-Wit - 1 / Zirkonia-zwart - 1 -interface. (A) overzicht over meting velden 1 + 2 en (D) 3-5; resultaten van de meting (B) veld 1 (C) veld 2, (E) veld 3, (F) veld 4 en (G) veld 5.

figure-results-7
Figuur 7: massa verandering van de zirconia Wit - 1- en Zirkonia-zwart - 1 -schorsingen tijdens thermische ontleding Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

figure-results-8
Tabel 1: dynamische viscositeit van thermoplastisch schorsingen op basis van de zirconia poeders Zirkonia-Wit - 1 en Zirkonia zwart - 1. Klik hier om dit bestand te downloaden.

figure-results-9
Tabel 2: dynamische viscositeit van thermoplastisch schorsingen op basis van de zirconia poeders Zirkonia-wit - 2 en Zirkonia zwart - 2. Klik hier om dit bestand te downloaden.

figure-results-10
Tabel 3: dynamische viscositeit van alle vier schorsingen tijdens de langdurige meting met een constante schuintrekken snelheid van 10/s. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De karakterisering van de reologische gedrag van de gesmolten schorsing tegen hoge shear tarieven tot 5000/s is nodig omdat de beoordeling van de omstandigheden binnen de gebruikte micro verstrekking van systemen (geometrie van zuiger en sproeier zaal, snelheid van de zuiger) bleek dat schuintrekken tarieven van 5000/s en hoger worden gegenereerd in de micro doseersysteem tijdens de afzetting proces25.

Het onderzoek van de afdrukparameters moet worden gedaan om te helpen met de kalibratie van de dispenser voor het vervaardigen van multi materiële componenten. De invloed van de parameters van de dispenser op de eigenschappen van de materialen is besproken in25. Parameter waarde grenzen geweest alleen ontmoedigingsbeleid empirisch. Ervaring tot nu toe blijkt dat het verschil in druppel keten hoogte en breedte mag niet meer dan 3%. Diameter verschillen tot 100 micron en hoogteverschillen tot 50 micron kunnen worden gecompenseerd door de pulsbreedte van de parameters, de druppel fusion factor (DFF) en de breedte van de extrusie (snijden parameter).

Het is van cruciaal belang voor het drukproces dat de hoogten van de laag van de verschillende materialen aan elkaar worden aangepast door het veranderen van de afstand tussen de enkele druppels, aangezien het in een oneffenheden binnen een laag resulteren zou als de hoogten van de verschillende materialen doen geen wedstrijd. Een oneffenheden leidt tot grote gebreken en defecte onderdelen. Door het verminderen van de afstand tussen twee druppeltjes en de bijbehorende grotere overlapping, verhoogt de breedte en de hoogte van de druppel keten vanwege de bijna constante hoeveelheid de enkele druppels. Het kan worden waargenomen dat de druppel ketting breedte sneller dan de hoogte van de keten druppel stijgt. Het is niet nodig en waarschijnlijk niet mogelijk om te beseffen perfect gevormde hemisferen als enkele druppels, maar je moet ervoor zorgen door te bepalen van de verstrekking van parameters dat de homogeniteit van de vorming van de druppel erg hoog is te garanderen een homogene montage gebouw van de componenten.

De meting bij 85 ° C simuleert de Rheologische gedrag van de schorsingen in de voeding patroon van de micro doseersysteem. Boven de 90 ° C begint de ontleding van de binder-componenten (Figuur 7). Alle schorsingen weergeven bijna hetzelfde probleem zich voordoet. De temperatuur van de gebruikte mondstuk van de micro doseersysteem was 100 ° C. Deze temperatuur bevordert de vorming van de druppel als gevolg van de lage viscositeit veroorzaakt doordat de schorsingen temperatuur tijdens het passeren van de verstuiver. Vanwege de korte Nadruktijd van de schorsingen binnen de verstuiver bij deze temperatuur is de ontleding de materiaalgedrag niet aanzienlijk beïnvloeden.

De multi kleurcomponenten kon worden gesinterd bijna gebrek-gratis, maar voor de zirconia zwart - 2 en Zirkonia-wit - 2 poeders die de kleur van de witte fase omgezet in roze. De oorzaak voor de kleur te veranderen zijn diffusie processen tussen de verschillende materialen tijdens het sinteren van ertsen. Dit is slechts een effect op het oppervlak en kan worden verwijderd door een schuurmachine stap. Maar dit is zeer uitdagend voor complexe structuren gemaakt door AM technologieën.

Binnen de multi kleurcomponenten vlakke en verweven grens interfaces ontwikkeld tussen de twee verschillende composities. Dus, ongeacht de afzetting van de drop-afhankelijk van het materiaal, de rangschikking van de verschillende microstructuren realiseerbaar zeer nauwkeurig. Bovendien, de druppel vorm kan worden benut om de interface van de grens tussen twee materialen verhogen. Tot nu toe zijn alleen discrete materiële overgangen vervaardigd. Toekomstig onderzoek kan ook inhouden dat de productie van geleidelijke veranderingen tussen materialen.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit project heeft financiering ontvangen van de Europese Unie Horizon 2020 onderzoek en innovatie programma onder Grant overeenkomst No 678503.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Material
Zirconia black - 1TZ-3Y-BlackTosoh
Zirconia black - 2ZirPro ColorYZ BlackSaint Gobain
Zirconia white - 1TZ-3Y-BlackTosoh
Zirconia white - 2ZirPro ColorYZ Arctic WhiteSaint Gobain
Equipment
laser diffractometerMastersizer 2000Malvern Instruments Ltd., United Kingdom
dissolverDISPERMAT CA 20-CVMA-Getzmann GmbH, Germany
rheometerModular Compact Rheometer MCR 302 Anton Paar, Graz, Austria
micro dispensing systemMDS 3250Vermes, Germany  
T3DP-device IKTS-T3DP-device "TRUDE", in-house developmentFraunhofer IKTS, not commerzialized
profile scannerLJ-V7020Keyence  
Slicer 1Slic3ropen source software
Slicer 2Simplify3DSimplofy3D
debinding furnaceNA120/45Nabertherm, Germany
sintering furnaceLH 15/12Nabertherm, Germany 
FESEMGemini 982 Zeiss, Germany 

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Processing techniques for functionally graded materials. Materials Science and Engineering - A. 362 (1-2), 81-106 (2003).">Kieback, B., Neubrand, A., Riedel, H. Processing techniques for functionally graded materials. Materials Science and Engineering - A. 362 (1-2), 81-106 (2003).
  2. Functionally graded metals and metal-ceramic composites: Part 1 Processing. International Materials Reviews. 40 (6), 239-265 (1995).">Mortensen, A., Suresh, S. Functionally graded metals and metal-ceramic composites: Part 1 Processing. International Materials Reviews. 40 (6), 239-265 (1995).
  3. Functionally gradient ceramics by sequential slip casting. Materials Letters. 14 (5), 333-335 (1992).">Moya, J. S., Sánchez-Herencia, A. J., Requena, J., Moreno, R. Functionally gradient ceramics by sequential slip casting. Materials Letters. 14 (5), 333-335 (1992).
  4. Elastic modulus in rigid Al2O3/ZrO2 ceramic laminates. Scripta Materialia. 37 (7), 1095-1103 (1997).">Moya, J. S., Sánchez-Herencia, J. A., Bartolomé, J. F., Tanimoto, T. Elastic modulus in rigid Al2O3/ZrO2 ceramic laminates. Scripta Materialia. 37 (7), 1095-1103 (1997).
  5. Charakterisierung und Verarbeitung von Si3N4-SiC-MoSi2-Kompositen für Heizleiteranwendungen. Keramische Zeitschrift. 65 (5), 294-297 (2013).">Zschippang, E., Mannschatz, A., Klemm, H., Moritz, T., Martin, H. -P. Charakterisierung und Verarbeitung von Si3N4-SiC-MoSi2-Kompositen für Heizleiteranwendungen. Keramische Zeitschrift. 65 (5), 294-297 (2013).
  6. Scheithauer, U., Haderk, K., Richter, H. -J., Petasch, U., Michaelis, A. Influence of the kind and amount of pore forming agents on the thermal shock behaviour of carbon-free refractory components produced by multilayer technology. refractories WORLDFORUM. 4 (1), 130-136 (2011).
  7. Functionally Graded Materials Made by Water-Based Multilayer Technology. Refractories Worldforum. 8 (2), 95-101 (2016).">Scheithauer, U., Schwarzer, E., Slawik, T., Richter, H. -J., Moritz, T., Michaelis, A. Functionally Graded Materials Made by Water-Based Multilayer Technology. Refractories Worldforum. 8 (2), 95-101 (2016).
  8. Manufacturing of Two-colored Co-sintered Zirconia Components by Inmold-labelling and 2C-Injection Molding, cfi/Ber. DKG. 91 (8), (2014).">Mannschatz, A., Härtel, A., Müller-Köhn, A., Moritz, T., Michaelis, A., Wilde, M. Manufacturing of Two-colored Co-sintered Zirconia Components by Inmold-labelling and 2C-Injection Molding, cfi/Ber. DKG. 91 (8), (2014).
  9. Material- and process hybridization for multifunctional ceramic and glass components. Ceramic Applications. 5 (2), 66-71 (2017).">Moritz, T., Scheithauer, U., Mannschatz, A., Ahlhelm, M., Abel, J., Schwarzer, E., Pohl, M., Müller-Köhn, A. Material- and process hybridization for multifunctional ceramic and glass components. Ceramic Applications. 5 (2), 66-71 (2017).
  10. Homa, J. Rapid Prototyping of high-performance ceramics opens new opportunities for the CIM industry. Powder Injection Moulding International. 6 (3), 65-68 (2012).
  11. Rapid Prototyping of Ceramics. Handbook of Advanced Ceramics Elsevier. , Oxford, UK. (2013).">Chartier, T., Badev, A. Rapid Prototyping of Ceramics. Handbook of Advanced Ceramics Elsevier. , Oxford, UK. (2013).
  12. Additive Manufacturing of ceramic-based materials. Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).">Travitzky, N., et al. Additive Manufacturing of ceramic-based materials. Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).
  13. Additive Manufacturing of Ceramics: Issues, Potentialities, and Opportunities. Journal of the American Ceramic Society. 98 (7), 1983-2001 (2015).">Zocca, A., Colombo, P., Gomes, C. M., Günster, J. Additive Manufacturing of Ceramics: Issues, Potentialities, and Opportunities. Journal of the American Ceramic Society. 98 (7), 1983-2001 (2015).
  14. Thermoplastic 3D Printing - An Additive Manufacturing Method for Producing Dense Ceramics. JACT. 12 (1), 26-31 (2014).">Scheithauer, U., Schwarzer, E., Richter, H. J., Moritz, T. Thermoplastic 3D Printing - An Additive Manufacturing Method for Producing Dense Ceramics. JACT. 12 (1), 26-31 (2014).
  15. Studies on thermoplastic 3D printing of steel-zirconia composites. J Mat Res. 29 (17), 1931-1940 (1931).">Scheithauer, U., Bergner, A., Schwarzer, E., Richter, H. -J., Moritz, T. Studies on thermoplastic 3D printing of steel-zirconia composites. J Mat Res. 29 (17), 1931-1940 (1931).
  16. Additive Manufacturing of Metal-Ceramic-Composites by Thermoplastic 3D-Printing. J. Ceram. Sci. Tech. 06 (02), 125-132 (2015).">Scheithauer, U., Slawik, T., Schwarzer, E., Richter, H. -J., Moritz, T., Michaelis, A. Additive Manufacturing of Metal-Ceramic-Composites by Thermoplastic 3D-Printing. J. Ceram. Sci. Tech. 06 (02), 125-132 (2015).
  17. Processing of thermoplastic suspensions for Additive Manufacturing of Ceramic- and Metal-Ceramic-Composites by Thermoplastic 3D-Printing (T3DP), 11th International Conference on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications. Ceramic Transactions. 256, (2016).">Scheithauer, U., Schwarzer, E., Haertel, A., Richter, H. J., Moritz, T., Michaelis, A. Processing of thermoplastic suspensions for Additive Manufacturing of Ceramic- and Metal-Ceramic-Composites by Thermoplastic 3D-Printing (T3DP), 11th International Conference on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications. Ceramic Transactions. 256, (2016).
  18. Ceramic-Based 4D-Components: Additive Manufacturing (AM) of Ceramic-Based Functionally Graded Materials (FGM) by Thermoplastic 3D-Printing (T3DP). Preprints. , 2017100057(2017).">Scheithauer, U., Weingarten, S., Johne, R., Schwarzer, E., Abel, J., Richter, H., Moritz, T., Michaelis, A. Ceramic-Based 4D-Components: Additive Manufacturing (AM) of Ceramic-Based Functionally Graded Materials (FGM) by Thermoplastic 3D-Printing (T3DP). Preprints. , 2017100057(2017).
  19. A core-shell structured, metal-ceramic composite supported Ru catalyst for methane steam reforming. J of Power Sources. 216, 256-260 (2012).">Lee, H. C., Potapova, Y., Lee, D. A core-shell structured, metal-ceramic composite supported Ru catalyst for methane steam reforming. J of Power Sources. 216, 256-260 (2012).
  20. Stainless steel/yttria stabilized zirconia composite supported solid oxide fuel cell. J. Fuel Cell Sci. Technol. 8, 1-5 (2011).">Molin, S., Tolczyk, M., Gazda, M., Jasinski, P. Stainless steel/yttria stabilized zirconia composite supported solid oxide fuel cell. J. Fuel Cell Sci. Technol. 8, 1-5 (2011).
  21. Metal-Ceramic Alloys in Dentistry: A Review. Journal of Prosthodontics. 18 (2), 188-194 (2009).">Roberts, H. W., Berzins, D. W., Moore, B. K., Charlton, D. G. Metal-Ceramic Alloys in Dentistry: A Review. Journal of Prosthodontics. 18 (2), 188-194 (2009).
  22. Deformation and cracking during sintering of bimaterial components processed from ceramic and metal powder mixes. Part I: Experimental investigation. Mechanics of Materials. 53, 123-131 (2012).">Largiller, G., Bouvard, D., Carry, C. P., Gabriel, A., Müller, J., Staab, C. Deformation and cracking during sintering of bimaterial components processed from ceramic and metal powder mixes. Part I: Experimental investigation. Mechanics of Materials. 53, 123-131 (2012).
  23. Graded porous TiO2 membranes for micro-filtration. Journal European Ceramic Society. 26, 449-454 (2006).">Meulenberg, W. A., Mertens, J., Bram, M., Buchkremer, H. -P., Stöver, D. Graded porous TiO2 membranes for micro-filtration. Journal European Ceramic Society. 26, 449-454 (2006).
  24. Multi component powder injection moulding of metal-ceramic-composites. Proceedings of the Euro International Powder Metallurgy Congress and Exhibition. , (2009).">Baumann, A., Moritz, T., Lenk, R. Multi component powder injection moulding of metal-ceramic-composites. Proceedings of the Euro International Powder Metallurgy Congress and Exhibition. , (2009).
  25. Investigation of Droplet Deposition for Suspensions Usable for Thermoplastic 3D Printing (T3DP). Journal of Materials Engineering and Performance. , (2017).">Scheithauer, U., Johne, R., Weingarten, S., Schwarzer, E., Abel, J., Richter, H., Moritz, T., Michaelis, A. Investigation of Droplet Deposition for Suspensions Usable for Thermoplastic 3D Printing (T3DP). Journal of Materials Engineering and Performance. , (2017).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Additive ManufacturingThermoplastic 3D PrintingMulti material ComponentsZirconia PowdersThermoplastic SuspensionDynamic ViscosityProfile ScannerDebinding ProcessCentering FurnaceField Emission SEM

Related Articles