Artykuł metodologiczny

Produkcja stopionych włókien (FFF) elementów metalowo-ceramicznych

19.4K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/57693

⸱

11 stycznia 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS, 2HAGE Sondermaschinenbau GmbH & Co KG, 3Institute of Polymer Processing, Montanuniversitaet Leoben, 4Industrial Liaison Department, Montanuniversitaet Leoben

W tym artykule

Podsumowanie

To badanie pokazuje wielomateriałową produkcję addytywną (AM) przy użyciu produkcji topionych włókien (FFF) ze stali nierdzewnej i tlenku cyrkonu.

Streszczenie

Ceramika techniczna jest szeroko stosowana w zastosowaniach przemysłowych i badawczych, a także w towarach konsumpcyjnych. Obecnie zapotrzebowanie na złożone geometrie z różnymi opcjami dostosowywania i korzystnymi metodami produkcji stale rośnie. Dzięki produkcji topionych włókien (FFF) możliwe jest szybkie wytwarzanie dużych i złożonych elementów przy wysokiej wydajności materiałowej. W FFF ciągły filament termoplastyczny jest topiony w rozgrzanej dyszy i osadzany poniżej. Sterowana komputerowo głowica drukująca jest przesuwana w celu uzyskania pożądanego kształtu warstwa po warstwie. Badania dotyczące druku metali lub ceramiki są coraz częściej prowadzone w badaniach naukowych i przemyśle. Niniejsze badanie koncentruje się na wytwarzaniu przyrostowym (AM) z podejściem wielomateriałowym polegającym na połączeniu metalu (stali nierdzewnej) z ceramiką techniczną (tlenek cyrkonu: ZrO2). Połączenie tych materiałów oferuje szeroką gamę zastosowań ze względu na ich różne właściwości elektryczne i mechaniczne. W artykule przedstawiono główne zagadnienia związane z przygotowaniem materiału i surowca, opracowywaniem urządzeń oraz drukiem tych kompozytów.

Wprowadzenie

Zgodnie z normami ISO/ASTM, wytwarzanie przyrostowe (AM) to ogólny termin określający technologie, które tworzą obiekty fizyczne na podstawie reprezentacji geometrycznej poprzez sukcesywne dodawanie materiału1. Dzięki temu technologie te oferują możliwość produkcji komponentów o niezwykle złożonej geometrii, której nie da się uzyskać za pomocą żadnej innej techniki kształtowania znanej autorom.

Materiały ceramiczne są badane od wczesnego etapu rozwoju różnych technologii AM w ciągu ostatniego ćwierćwiecza2,3; jednak wytwarzanie przyrostowe komponentów ceramicznych nie jest tak zaawansowane w porównaniu z wytwarzaniem przyrostowym komponentów polimerowych lub metalowych. Kilka przeglądów technologii AM stosowanych do komponentów ceramicznych zostało przedstawionych przez Chartier et al.4, Travitzky et al.5 oraz Zocca et al.6, które można sklasyfikować według stanu wykorzystywanego materiału – materiałów proszkowych, ciekłych i stałych4,5 lub według rodzaju nanoszenia i konsolidacji materiału6. Dostępne są urządzenia AM umożliwiające wytwarzanie przyrostowe gęstych i wysokiej jakości komponentów ceramicznych o właściwościach pożądanych w większości zastosowań7,8,9,10,1.

Produkcja komponentów ceramicznych wymaga złożonej obróbki, co spowolniło postępy w zakresie przyrostowego wytwarzania (AM) ceramiki. Niemniej jednak komponenty ceramiczne są niezastąpione w specjalistycznych produktach konsumenckich i urządzeniach medycznych, a technologia AM otwiera nowe horyzonty w produkcji nowatorskich elementów o „niemożliwych” geometriach12. W przypadku technicznych komponentów ceramicznych wymagana jest późniejsza obróbka termiczna wytworzonych części, ponieważ formowanie ceramiki metodą AM wymaga zastosowania proszków zawieszonych w spoiwach organicznych, które muszą zostać usunięte (t.j. odspajanie) przed spieczeniem proszku (t.j. spiekanie).

Wytwarzanie przyrostowe (AM) komponentów wielomateriałowych lub wielofunkcyjnych łączy zalety AM i materiałów o stopniowanym składzie (FGM)13 w ceramicznych komponentach 4D14. Hybrydy materiałowe umożliwiają łączenie właściwości takich jak przewodność elektryczna/izolacyjność, magnetyzm/brak właściwości magnetycznych, plastyczność/twardość lub różne koloracje. Komponenty hybrydowe mogą również wykazywać funkcje czujników lub siłowników znane z MEMS (mikrosystemów elektromechanicznych)15. Ponadto kompozyty metal/ceramika mogą wspomagać łączenie ceramicznych części z maszynami, ponieważ możliwe jest zastosowanie konwencjonalnych partnerów ze stali spawalniczej.

Europejski projekt cerAMfacturing (EU-Project CORDIS 678503) opracowuje technologie AM dla komponentów z pojedynczego materiału, a także całkowicie nowe podejście do AM komponentów wielomateriałowych, co umożliwi seryjną produkcję spersonalizowanych i wielofunkcyjnych elementów do różnorodnych zastosowań12. Zakwalifikowano trzy różne techniki AM oparte na zawiesinach, które pozwalają na wytwarzanie komponentów ceramika-ceramika oraz metal-ceramika. Wykorzystanie technik AM opartych na zawiesinach obiecuje poprawę parametrów komponentów w porównaniu z metodami opartymi na proszkach. Ponieważ rozkład cząstek proszku w zawiesinie jest bardziej jednorodny i bardziej zwarty niż w złożu proszkowym, metody formowania te zapewniają wyższe gęstości w stanie surowym, co skutkuje spieczonymi komponentami o gęstych mikrostrukturach i niskiej chropowatości powierzchni12.

Obok ceramicznej produkcji opartej na litografii (LCM)7,8,9,10,1,16,17, rozwijane są techniki takich jak fuzja osadzanego filamentu (FFF) oraz termoplastyczny druk 3D (T3DP)12,14,18. FFF i T3DP są bardziej odpowiednie do wytwarzania przyrostowego (AM) komponentów wielomateriałowych niż LCM ze względu na selektywne nakładanie i utwardzanie określonego materiału, w przeciwieństwie do czysto selektywnego utwardzania materiału naniesionego na całą warstwę14.

Dodatkową zaletą FFF i T3DP w porównaniu z LCM jest zastosowanie termoplastycznych systemów spajających zamiast polimerów utwardzanych światłem. System spajający umożliwia przetwarzanie proszków niezależnie od ich właściwości optycznych, takich jak absorpcja, emisja i odbicie fal elektromagnetycznych, np. materiałów ciemnych i jasnych (w zakresie widzialnym), co jest niezbędne do produkcji komponentów metalowo-ceramicznych19,20. Ponadto sprzęt do FFF wymaga niskich nakładów inwestycyjnych, ponieważ dostępna jest szeroka gama standardowych urządzeń. Technika ta staje się ekonomiczna dzięki wysokiej wydajności materiałowej i możliwości recyklingu materiałów. Wreszcie, FFF łatwo przeskalować do produkcji dużych części, ponieważ proces opiera się na ruchu głowicy drukującej wzdłuż osi.

Niniejsza praca przedstawia pierwsze wyniki wytwarzania kompozytów metalowo-ceramicznych przy użyciu techniki FFF. Dodatkowo zaprezentowano techniczne połączenie jednostek FFF i T3DP, które znajduje się obecnie w fazie opracowania. W procesie FFF filamenty polimerów termoplastycznych są topione i selektywnie ekstrudowane pod wpływem działania dwóch przeciwbieżnie obracających się elementów. Po ekstruzji materiału przez dyszę ulega on utwardzeniu w wyniku chłodzenia, co umożliwia warstwową produkcję komponentów. W celu wytworzenia końcowych elementów ceramicznych i metalicznych opracowano wariant tego procesu21,2,23,24,25,26. Związki polimerowe, znane jako spoiwa, są silnie wypełnione proszkiem ceramicznym lub metalicznym. Po uformowaniu komponentów przy użyciu konwencjonalnego podejścia FFF wymagane są dwa dodatkowe etapy. Po pierwsze, w fazie usuwania spoiwa polimerowe komponenty muszą zostać całkowicie usunięte z próbek, co prowadzi do powstania struktury z licznymi porami mikrometrycznymi. Aby uzyskać ostateczne właściwości, spieki proszkowe są następnie spiekane w temperaturze poniżej punktu topnienia materiału. Stosując to podejście, w innych ośrodkach z sukcesem przeprowadzono produkcję materiałów takich jak azotek krzemu, krzemionka topiona, ceramika piezoelektryczna, stale nierdzewne, węglik wolframu-kobalt, tlenek glinu lub dwutlenek tytanu23,24,25.

Stosowanie silnie napełnionych filamentów polimerowych oraz charakterystyka procesu nakładają określone wymagania na materiały21. Niezbędna jest dobra kompatybilność między składnikami termoplastycznego spoiwa a proszkiem, który musi zostać homogenicznie rozproszony przy użyciu technik mieszania w temperaturach powyżej punktu topnienia organicznych składników spoiwa, np. poprzez ugniatanie lub walcowanie ścinające. Ponieważ stały filament musi pełnić rolę tłoka w głowicy drukującej, aby wypchnąć stopiony materiał, wymagana jest wysoka sztywność oraz niska lepkość, co umożliwi ekstruzję materiału przez dyszę o typowych średnicach od 0,3 do 1,0 mm. Jednocześnie materiał musi posiadać wystarczającą elastyczność i wytrzymałość, aby mógł zostać uformowany w filament nadający się do nawijania na szpulę. Aby połączyć wszystkie te właściwości przy wysokim stopniu napełnienia proszkiem, opracowano różne wieloskładnikowe systemy spoiw21,2,26.

Oprócz zastosowania odpowiedniego składu spoiwa, w niniejszej pracy wykorzystano nowy system napędowy. Zazwyczaj do przesuwania filamentu przez dyszę stosuje się zębate koła napędowe. Zęby te mogą uszkodzić kruchy filament. Aby zmniejszyć wymagania mechaniczne wobec filamentów i zwiększyć ciśnienie ekstruzji podczas procesu FFF, konwencjonalny system FFF z zębatymi kołami napędowymi zastąpiono specjalnym systemem podwójnych pasów. Dzięki długości, kształtowi i specjalnej gumowej powłoce pasów uzyskano wysokie tarcie i precyzyjne prowadzenie. Najważniejszą kwestią było zapobieganie jakimkolwiek wyboczeniom filamentu w głowicy drukującej. Filament musi być prowadzony aż do dyszy, nie dopuszczając do powstania wolnych przestrzeni; należy przy tym uwzględnić niezbędne przejścia między komponentami.

Po opuszczeniu jednostki podawania filament wchodzi do jednostki dyszy. Głównymi celami projektowymi były zarządzanie temperaturą oraz prowadzenie bezszczelinowe. Opracowana głowica drukująca przedstawiona jest na Rysunku 1.

Mechanizm druku 3D; schemat układu przekładni, opisane elementy: enkoder, silnik krokowy, paski, przekładnia.
Rysunek 1Model CAD nowej jednostki napędu pasowego (góra) oraz zdjęcie rzeczywistej jednostki (dół). Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Kolejnym dużym wyzwaniem przy produkcji komponentów metalowo-ceramicznych jest dobór proszków umożliwiających wspólne przetwarzanie podczas obróbki termicznej (zbliżone współczynniki rozszerzalności cieplnej (CTE), zakresy temperatur oraz atmosfera), a w szczególności dopasowanie skurczu obu materiałów podczas etapu spiekania. W niniejszej pracy podjęto próbę połączenia cyrkonu z modyfikowaną stalą nierdzewną 17-4PH, ponieważ wykazują one zbliżone CTE (ok. 1 x 10-6/K) i mogą być spiekane w tych samych warunkach (redukująca atmosfera wodorowa, temperatura spiekania: 1350 - 140 °C). Jednak w celu dopasowania zachowania skurczu niezbędna jest specjalna procedura mielenia proszku metalicznego19,20.

Protokół

1. Wykorzystane materiały

  1. Wybór składników spoiwa
    1. Wybierz system spoiwa zgodnie z kryteriami dla wysoko napełnionych mieszanek (zawartość proszku około 50 vol. %) określonymi dla FFF: wysoką wytrzymałość mechaniczną, odpowiednią sztywność, niską lepkość oraz elastyczność umożliwiającą nawijanie na szpulę. Wysoki stopień napełnienia ciałem stałym może prowadzić do drastycznego zmniejszenia elastyczności i wzrostu lepkości.
      UWAGA: W niniejszym badaniu zastosowano wieloskładnikowy system spoiwa. Większość składników stanowił elastomer termoplastyczny w celu poprawy elastyczności i wytrzymałości. Jako szkielet dodano funkcjonalizowaną poliolefinę w celu poprawy adhezji do proszku. Na koniec włączono kwas stearynowy (około 5 vol. %) jako surfaktant dla zapewnienia dobrej dyspersji proszków. Z powodów poufności nie można ujawnić szerszych informacji.
  2. Wybór proszków
    1. Wybierz odpowiednią parę proszków do podejścia wielomateriałowego. W przypadku współprzetwarzania proszku ceramicznego i metalicznego wybierz materiały o tym samym współczynniku rozszerzalności cieplnej (CTE) i podobnym zachowaniu skurczowym podczas spiekania w tej samej atmosferze spiekania.
    2. Wybierz konkretną gatunek ceramiki. Wybierz cyrkonię stabilizowaną itrem w fazie tetragonalnej ze względu na CTE i temperaturę spiekania porównywalne ze specjalnymi stalami nierdzewnymi, a także wysoką udarność i wytrzymałość na zginanie tego materiału ceramicznego. Użyj proszku cyrkonowego o powierzchni właściwej 7 ± 2 m2/g i rozmiarze cząstek d50 = 0.5 µm.
    3. Wybierz konkretny gatunek metalu. Użyj proszku stali nierdzewnej jako przewodzącego i plastycznego materiału metalicznego. Materiał musi mieć porównywalny CTE i podobny zakres temperatur spiekania co cyrkonia w ochronnej atmosferze wodoru.
  3. Korekta zachowania podczas spiekania
    1. Aby uzyskać beznaprężeniowe współspiekanie, skoryguj zależne od temperatury zachowanie odkształceniowe (skurcz wynikający ze spiekania i rozszerzalność cieplną) obu typów proszków. Ponieważ użyty proszek cyrkonowy wykazuje wysoką energię powierzchniową ze względu na drobne cząstki, zmodyfikuj proszek stali nierdzewnej poprzez rozdrobnienie stosunkowo dużych cząstek metalu i zwiększenie gęstości dyslokacji poprzez deformację sieci krystalicznej.
      UWAGA: Najpierw podczas mielenia attrycyjnego sferyczne cząstki stali są przekształcane w cienkie i kruche płatki o ekstremalnie wysokiej gęstości dyslokacji. Następnie podczas etapu mielenia wysokoenergetycznego (planetarnego mielenia kulowego, PBM) kruche płatki zostaną rozbite na bardzo drobnoziarniste cząstki o zwiększonej zdolności do spiekania. W ten sposób można osiągnąć zwiększoną aktywność spiekania proszku metalicznego, a krzywą skurczu można dopasować do krzywej cyrkonii, wykazując jedynie niewielkie różnice19,20.
      1. Zastosuj mielenie attrycyjne (180 min) do sferycznych cząstek stali nierdzewnej, aby przekształcić je w cienkie i kruche płatki.
      2. Przeprowadź planetarne mielenie kulowe (240 min), aby rozbić kruche płatki na bardzo drobnoziarniste cząstki o zmniejszonym współczynniku kształtu, ale zwiększonej zdolności do spiekania.
  4. Ocena skuteczności korekty
    1. Użyj prętowego lub optycznego dylatometru do pomiaru zachowania skurczowego odpowiednich kompaktów materiałowych i porównaj wyniki. Upewnij się, że objętościowa zawartość proszku obu materiałów jest taka sama i zastosuj te same parametry pomiarowe (szybkość nagrzewania, atmosfera, temperatura maksymalna, czas przetrzymania).
    2. W przypadku wystąpienia dużych rozbieżności w zachowaniu podczas spiekania, skoryguj parametry mielenia proszku stali nierdzewnej. Drobniejsze proszki doprowadzą do obniżenia temperatury rozpoczęcia spiekania. Dłuższy czas mielenia attrycyjnego spowoduje wyższe energie dyslokacji i większy skurcz. Mielenie planetarne prowadzi do powstania proszku aglomerowanego, który jest odpowiedni w mieszankach polimerowych.
      UWAGA: Skuteczność korekty zależy od surowców. Niezbędne jest przeprowadzenie optymalizacji. Przesunięcie krzywych spiekania można również uzyskać poprzez frakcjonowanie proszków. Drobne frakcje proszku mają tendencję do rozpoczynania spiekania w niższych temperaturach.

2. Produkcja filamentu

  1. Przygotowanie materiału wsadowego
    UWAGA: Aby przygotować materiał wsadowy z cyrkonii, należy wysuszyć proszek w celu zmniejszenia jego tendencji do aglomeracji27. Suszyć materiał w temperaturze 80 °C w piecu próżniowym przez minimum 1 godzinę.
    1. Wykonać wstępne mieszanie materiału w mieszalniku rotorowo-walcowym przez 30 minut przy 60 rpm.
      1. Upewnić się, że temperatura jest wystarczająco wysoka, aby stopić wszystkie komponenty lepiszcza. Wprowadzić komponenty lepiszcza i poczekać do ich stopienia. Dodać proszek w 5 kolejnych porcjach co 5 min.
      2. Na koniec procesu wyjąć materiał z komory w małych kawałkach, aby ułatwić wykonanie kroku 2.1.2.
        UWAGA: Dla obu materiałów w termoplastycznych wsadach uzyskano zawartość proszku na poziomie 47 vol. %.
    2. Zgranulować lub spelerować stały materiał po ochłodzeniu do temperatury pokojowej.
      1. W przypadku zastosowania młyna tnącego, wprowadzać kawałki materiału stopniowo. Poczekać do zgranulowania kawałków znajdujących się wewnątrz przed wprowadzeniem kolejnych.
      2. Na wylocie z komory rozdrabniającej zastosować sito z kwadratowymi perforacjami 4 x 4 mm, aby uzyskać granulki o odpowiedniej wielkości. Procedura ta jest niezbędna dla ciągłego podawania materiału do dwuślimakowej wytłaczarki lub walca ścinającego (krok 2.1.3).
    3. Poddać materiał procesowi mieszania przy wysokich prędkościach ścinania w celu poprawy dyspersji, np. w dwuślimakowej wytłaczarce współbieżnej (TSE) lub w wytłaczarce walcowej. Zebrać materiał za pomocą taśmy przenośnika i ochłodzić go do temperatury pokojowej.
      UWAGA: W niniejszym badaniu zastosowano dwuślimakową wytłaczarkę współbieżną. Prędkość obrotowa ślimaka została ustawiona na 60 rpm, a profil temperatury zdefiniowano od 170 °C w strefie podawania do 210 °C w dyszy.
    4. Zgranulować lub spelerować stały materiał po ochłodzeniu do temperatury pokojowej. Zastosować procedurę z punktu 2.1.2 lub spelerować materiał na końcu taśmy przenośnika za pomocą speleratora. W razie potrzeby powtórzyć proces, aż pelety osiągną długość równą lub mniejszą niż 4 mm.

Schemat procesu ekstruzji polimerów; obejmuje ekstruder, przenośnik oraz pomiar prędkości nawijania na szpulę.
Rysunek 2Linia produkcyjna filamentu. Materiał jest wytłaczany w sposób kontrolowany poprzez regulację prędkości wytłaczania oraz temperatury. Następnie jest on zbierany i transportowany za pomocą taśmy przenoścowej oraz urządzenia wyciągającego. Mierzona jest średnica włókna; jeśli wartości mieszczą się w pożądanym zakresie, włókno jest nawijane na szpulę. W celu regulacji wymiarów włókna należy stopniowo dostosowywać prędkość wyciągania i nawijania. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

  1. Ekstruzja filamentu
    UWAGA: Rysunek 2 przedstawia schemat procesu wytwarzania w celu przygotowania filamentu oraz parametry zmienne definiujące średnicę filamentu na dole. Filament jest zbierany przez taśmę transportową i przeciągany przez działanie dwóch par przeciwbieżnych wałków. Wartości średnicy i owalności są mierzone w urządzeniu pomiarowym laserowym, a parametry procesu są dostosowywane w celu regulacji geometrii filamentu. Materiał jest ostatecznie przechowywany na szpulach. Produkcja filamentów o stałym zakresie wymiarów jest kluczowa dla powtarzalności procesu, ponieważ przepływ objętościowy w FFF zależy od geometrii filamentu.
    1. Ekstruduj materiał przy 30 rpm w temperaturze powyżej punktu topnienia komponentów lepiszcza. W celu zapewnienia dobrej kontroli ciśnienia i jakości filamentu, użyj ekstrudera jednospiżowego z średnicą dyszy co najmniej 1.75 mm.
      UWAGA: Dla małych ilości materiału w fazie opracowywania materiału można zastosować kapilarny reometr wysokociśnieniowy. Niemniej jednak można spodziewać się słabej jakości wymiarowej filamentu.
      UWAGA: Kroki 2.1 i 2.2.1 mogą zostać połączone w odpowiednim procesie ekstruzji dwuspiżowej.
    2. Zbierz ekstrudowany materiał. Użyj taśmy transportowej do zbierania i chłodzenia ekstrudowanego materiału. Elementy chłodzenia powietrzem lub wodą mogą być wymagane przy stosowaniu wysokich prędkości ekstruzji.
    3. Zmierz i kontroluj wymiary filamentu. Dla określonej prędkości ekstruzji stopniowo reguluj prędkość taśmy transportowej i prędkość przeciągania, aby dostosować wymiary filamentu (zmniejsz prędkości taśmy i przeciągania dla uzyskania większej średnicy). Wyprodukuj filamenty o zakresie średnicy od 1.70 do 1.80 mm i owalności mniejszej niż 0.10 mm.
      UWAGA: Wartość owalności jest definiowana jako różnica między średnicą maksymalną a minimalną. Dla idealnie okrągłego filamentu owalność musi wynosić zero.
    4. Nawiń materiał na szpule. Dodatkowa jednostka nawijania (Rysunek 2) może zostać umieszczona na końcu taśmy transportowej w celu automatycznego nawijania.

3. Wytwarzanie przyrostowe komponentów surowych

  1. Badanie optymalnych parametrów procesu
    1. Przed drukowaniem należy użyć komercyjnego oprogramowania do slicingu. Oprogramowanie to służy do konfiguracji parametrów drukowania oraz generowania g-kodu dla urządzenia drukującego na podstawie modelu 3D-CAD.
    2. W przypadku druku należy wziąć pod uwagę następujące kluczowe parametry:
    • temperatura stołu dla adhezji do podłoża
    • prędkość druku różnych materiałów
    • zmienna temperatura druku dla stałego przepływu materiału
    • sterowanie wentylatorem chłodzącym w celu wspomagania krzepnięcia wydrukowanej nici
    • temperatura druku w celu poprawy adhezji między warstwami
    • parametry retrakcji w celu uniknięcia wycieków oraz zastosowanie „filaru inicjującego” (prime pillar)
    • zróżnicowanie przepływu materiału w celu zapewnienia jednakowej szerokości pasm dla różnych materiałów
  2. AM komponentów testowych
    1. Przeprowadź AM próbek zielonych za pomocą komercyjnej drukarki 3D (patrz Tabela materiałów). Przed drukowaniem komponentów wielomateriałowych należy wykonać jednomateriałowe komponenty testowe.
      1. Przed wytwarzaniem komponentów wielomateriałowych należy skorygować wszelkie ewentualne rozbieżności w ustawieniu dysz w oprogramowaniu drukarki.
    2. Produkcja pojedynczego komponentu
      1. Załaduj głowicę drukującą 1 filamentem z cyrkonu, a głowicę drukującą 2 filamentem ze stali nierdzewnej. Dla obu filamentów zastosuj prędkość głowicy wynoszącą 10 mm/s oraz temperaturę stołu drukującego wynoszącą 20 °CUstaw temperaturę głowicy drukującej dla cyrkonu na 220 °C oraz stal nierdzewna do 240 °C.
        UWAGA: Jako pierwsze próbki geometrii testowej wykonano prostopadłościanu dla pojedynczych materiałów, natomiast dla komponentu wielomateriałowego wybrano inną konfigurację warstwową (sandwich). Wszystkie komponenty w stanie „green” miały wymiary końcowe 15 mm x 15 mm i zmienną grubość od 1 do 3 mm; zostały one wytworzone przy grubości warstwy wynoszącej 0,25 mm. Temperaturę głowicy drukującej można zmieniać w celu uzyskania pożądanej płynności materiałów zasilających. Podwyższenie temperatury prowadzi do zmniejszenia lepkości. Optymalne temperatury druku dla obu materiałów mogą się od siebie różnić.
    3. Wytwarzanie wielomateriałowe
      1. Wytwarzanie komponentów wielomateriałowych poprzez naprzemienne nanoszenie dwóch lub trzech różnych warstw, np.., 1 mm stali nierdzewnej / 1 mm cyrkonii / 1 mm stali nierdzewnej lub 1 mm cyrkonii / 1 mm stali nierdzewnej / 1 mm cyrkonii.
        UWAGA: W druku wieloskładnikowym bardzo pomocne może być zastosowanie tzw. „filara przygotowawczego” (prime pillar) w celu uzyskania ostrych i precyzyjnych przejść między materiałami. Podczas zmiany głowicy drukującej konieczne jest przetransportowanie kilku milimetrów filamentu, zanim materiał wypełni używaną dyszę w celu ekstruzji, co prowadzi do powstawania luk. W konsekwencji wygląd elementu nie jest tak dobry, jak mógłby być. Aby uniknąć tego zjawiska, należy wydrukować „filar przygotowawczy” obok elementu; można to ustawić w oprogramowaniu. Warstwa filara przygotowawczego (wieża prostokątna, Rycina 3) zostanie wydrukowany w pierwszej kolejności podczas wymiany dyszy, aby upewnić się, że dysza jest przygotowana i gotowa do druku przed przejściem do drukowania warstw elementu.
    4. Optymalizacja procesu produkcji
      1. w razie potrzeby zastosuj „osłonę przed wyciekami” (ooze-shield); jest to wydrukowana cienka ścianka wokół elementu (Rycina 4). Po zmianie głowicy drukującej dla drugiego komponentu poza obszarem części, należy zaprogramować ruch dyszy tak, aby przecinała tę ściankę podczas przemieszczania się z wieży. Dzięki temu cały przylegający materiał zostanie odlepiony od dyszy na tej osłonie, co pozwoli zwiększyć precyzję nakładania materiału na drukowaną część.
        UWAGA: Dalsza optymalizacja osiągalnej jakości jest możliwa poprzez dokładniejszą regulację przepływu, szerokości ekstruzji oraz mnożnika ekstruzji, przy założeniu, że średnica filamentu jest stała.

Schemat procesu drukowania 3D z głowicą drukującą, strukturą wieży i montażem komponentów.
Rysunek 3Proces wytwarzania komponentu metalowo-ceramicznego o strukturze wieżowej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Schemat osłony przed wyciekiem w druku 3D; proces: ograniczanie wycieku filamentu, konfiguracja FDM, kontrola ekstruzji.
Rycina 4Wirtualny wydruk komponentu z otaczającą osłoną przeciw wyciekom (ooze-shield). Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

4. Usuwanie lepiszcza i spiekanie komponentów

  1. Proces usuwania spoiwa przeprowadź w dwóch kolejnych etapach. Najpierw wykonaj ekstrakcję rozpuszczalnikiem, a następnie obróbkę termiczną w celu rozkładu pozostałych składników spoiwa.
    1. Ekstrakcję rozpuszczalnikiem wydrukowanych części w stanie „green” przeprowadź w cykloheksanie w temperaturze 60 °C. Przykryj próbki odpowiednią ilością cykloheksanu i poddaj obróbce przez 8 h. Podczas wykonywania tego kroku należy zwrócić uwagę na zasady bezpieczeństwa przeciwpożarowego. Na tym etapie usunięte zostanie rozpuszczalne spoiwo o zawartości około 7-9 wt. %.
      UWAGA: Zastosowanie ekstrakcji rozpuszczalnikiem prowadzi do zmniejszenia efektu pęcznienia podczas następnego termicznego usuwania spoiwa.
    2. Termiczne usuwanie spoiwa wykonaj w piecu do odspajania w atmosferze argonu, aby chronić materiały przed redukcją (która zachodzi w atmosferze azotu) lub utlenianiem. Zastosuj maksymalną temperaturę 40 °C oraz różne prędkości nagrzewania w zakresie od 5 °C/h do 150 °C/h.
      1. W celu scharakteryzowania lub optymalizacji procesu usuwania spoiwa dla obu materiałów zasilających, przeprowadź analizę termograwimetryczną w przepływie azotu do 60 °C, aby ocenić odpowiednie prędkości nagrzewania.
  2. Spiekanie przeprowadź w atmosferze redukcyjnej składającej się z 80% argonu i 20% wodoru w wysokotemperaturowym piecu wolframowym. Zastosuj prędkość nagrzewania od 3 °C/min do 5 °C/min, aby osiągnąć maksymalną temperaturę 1,365 °C. Po czasie wytrzymania wynoszącym 3 h ochłodź piec do temperatury pokojowej.

Wyniki

Najlepsze wyniki dopasowania dla zachowania spiekania stali nierdzewnej uzyskano przy czasie mielenia attrition 180 minut i czasie mielenia w planetarnej młynce kulowej (PBM) wynoszącym 240 minut. Rysunek 5 przedstawia obraz SEM proszku niepoddanego obróbce (lewo), zdeformowanych cząstek po mieleniu attrition (środek) oraz rozdrobnionych cząstek po etapie mielenia w PBM (prawo).

Obrazy z rasterskiego mikroskopu elektronowego przedstawiające morfologię powierzchni w skali 5 μm; analiza materiałowa.
Rycina 5Niestal nierdzewna niepoddana obróbce <38 µm (D90) (lewo), proszek stali nierdzewnej po mieleniu attrition (środek) oraz proszek stali nierdzewnej po mieleniu PBM (prawo) Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Zachowanie podczas spiekania początkowego oraz mielonego proszku stalowego zestawiono z zachowaniem proszku cyrkonowego na Rysunku 6; wszystkie pomiary wykonano za pomocą optycznego dylatometru.

Wykres rozszerzalności termicznej przedstawiający zachowanie materiałów w funkcji temperatury dla próbek TZ-3Y-SE oraz 17-4PH.
Rycina 6Krzywe dylatometryczne proszku cyrkonowego (TZ-3Y-SE) oraz proszku stali nierdzewnej (17-4PH) w stanie początkowym i po zastosowaniu wysokoenergetycznego mielenia proszku stali nierdzewnej. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Poprawę właściwości mechanicznych materiału wsadowego w etapie mieszania wysokościnającego scharakteryzowano dla wsadu z cyrkonii. Materiał wytworzony w jednym etapie mieszania trwającym 75 min w mieszalniku rotorowo-walcowym (RM) porównano z materiałem otrzymanym metodą opisaną w protokole. Filamenty wytłoczono przy użyciu kapilarnego reometru wysokociśnieniowego z dyszą o średnicy 1,75 mm, przy prędkości tłoka 1 mm/s i temperaturze 190 °C. Filamenty zebrano za pomocą taśmociągu i przetestowano na uniwersalnej maszynie do badań rozciągania. Dla każdego materiału wykonano co najmniej 5 powtórzeń. Rycina 7 przedstawia porównanie obu materiałów pod kątem wytrzymałości na rozciąganie (UTS), wydłużenia przy UTS oraz modułu sekanta.

Wykres słupkowy porównujący wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie i moduł sekanta dla materiałów RM i TSE.
Rysunek 7Wpływ metody mieszania na właściwości mechaniczne wsadu cyrkonowego. Surowiec został przetworzony w wewnętrznym mieszalniku walcowym (RM) lub w połączeniu z etapem wykorzystującym dwuśrubowy ekstruder współwirujący (TSE). Wytrzymałość, giętkość i sztywność włókien otrzymanych za pomocą reometru kapilarnego określono odpowiednio na podstawie wartości średniej oraz odpowiadającego jej odchylenia standardowego dla wytrzymałości na rozciąganie (UTS), wydłużenia przy UTS oraz modułu sekanta. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Na Rysunku 8 przedstawiono wartości średnic uzyskane podczas produkcji filamentów wykonanych z materiałów zasilających z cyrkonii (po lewej) i stali nierdzewnej (po prawej). Średnicę ekstrudowanego filamentu rejestrowano w trakcie procesu produkcji za pomocą ekstruzji jedośrubowej. W przypadku filamentów z cyrkonii uzyskano dobrą kontrolę wymiarów, przy średniej średnicy 1,75 mm i odchyleniu standardowym 0,02 mm. Dla filamentów zawierających zmodyfikowany proszek stali nierdzewnej zaobserwowano większą zmienność średniej średnicy filamentu. Możliwą przyczyną tego zjawiska może być niejednorodny rozkład cząstek w materiale zasilającym, wynikający z płytkowatego kształtu cząstek metalicznych (Rysunek 5). W tym przypadku większa liczba punktów pomiarowych znajdowała się poza pożądanym zakresem 1,75 mm ± 0,05 mm, a średnia wartość średnicy wyniosła 1,74 mm przy odchyleniu standardowym 0,03 mm. Dla obu typów filamentów wartości owalności były znacznie mniejsze niż limit 0,1 mm.

Histogramy rozkładu wielkości cząstek dla cyrkonii i stali 17-4 PH, przedstawiające częstotliwość w funkcji średnicy.
Rysunek 8Histogramy średnicy włókien dla badanych materiałów. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Rysunek 9 przedstawia odpowiednie filamenty metalowe i cyrkonowe do wytwarzania zielonych struktur kanapkowych o składzie stal-cyrkonia-stal (po lewej) oraz cyrkonia-stal-cyrkonia (po prawej).

Test stabilności stosu ciasteczek Oreo; schemat warstw ciasteczek; pomiar 15 mm do analizy strukturalnej.
Rysunek 9Zielone komponenty stal-cyrkon – stal (po lewej) oraz cyrkon – stal – cyrkon (po prawej) wytworzone addytywnie metodą FFF. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Ze względu na podobny system spoiwa w obu materiałach, możliwe jest łączenie niektórych warstw w monolityczny element kompozytowy. Na Rysunku 10 przedstawiono większy element o kształcie okrągłym z ostrymi przejściami.

Druk 3D małego obiektu sferycznego do badań z zakresu nauki o materiałach, skala pomiarowa w milimetrach.
Rysunek 10Struktura z ostrymi przejściami między cyrkonią a stalą nierdzewną. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 1 przedstawia inne zielone komponenty jedno- i wielomateriałowe, które zostały poddane dalszej obróbce. Rysunek 12 przedstawia po lewej stronie próbkę z czystej cyrkonii, w środku próbkę z czystej stali nierdzewnej, a po prawej stronie spieczony i dobrze złączony kompozyt stalowo-ceramiczny.

Porównanie materiałów do druku 3D na papierze milimetrowym; analiza różnic w teksturze i kolorze próbek.
Rycina 1Zielone próbki testowe wykonane metodą FFF; góra: kompozyty cyrkonowo-stalowe ze stalą nierdzewną na górze; środek: stal nierdzewna; dół: cyrkon. Siatka 5 mm. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Porównanie tekstury powierzchni elektrody z metalicznego litu za pomocą linijki; analiza korozji i degradacji.
Rysunek 12Próbka spieczonej cyrkonii (po lewej), próbka spieczonej stali nierdzewnej (na środku) oraz spieczony kompozyt cyrkonia-stal nierdzewna (po prawej). Wszystkie skale w mm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Na Rysunku 13 przedstawiono typową strukturę komponentów FFF z zagłębieniami (lub podobrzeżem) pomiędzy dwiema naniesionymi nitkami, co jest wynikiem standardowego slice'owania (ścieżki narzędzia) oraz ciągłego sposobu nakładania materiału.

Zbliżenie na strukturę heksagonalną, z zaznaczeniem połączeń w analizie materiałowej.
Rysunek 13Typowa struktura komponentów FFF powstałych w wyniku warstwowego krojenia i ciągłego nakładania materiału. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Poprzez zwiększenie mnożnika ekstruzji w oprogramowaniu do slicingu, co prowadzi do większej objętości nakładanego materiału, można zredukować podobwód, podobnie jak poprzez adaptację ścieżek narzędzia. Niemniej jednak, ze względu na wysoką zawartość cząsteczek w filamentach, oczywiste jest, że zachowanie procesu nakładania różni się od zwykłego drukowania termoplastów. W związku z tym pożądana jest modyfikacja oprogramowania w celu wyeliminowania takich defektów.

Po usuwaniu spoiwa za pomocą rozpuszczalnika, termicznym usuwaniu spoiwa i następującym po nim spiekaniu, wszystkie próbki nie wykazały istotnych odkształceń ani spęcznienia. Spiekane próbki z czystej cyrkonii i stali nierdzewnej wykonane w technologii FFF wykazują dobrą stabilność geometryczną zarówno z obciążeniem ściskającym, jak i bez niego, oraz nie ulegają wyboczeniu. Całkowita utrata masy wyniosła 14,8-14,9%, co wskazuje na całkowite usunięcie spoiwa.

Próbki metalowo-ceramiczne wykazały dobrą makroskopową adhezję obu materiałów. Stwierdzono, że ubytek masy po spiekaniu kompozytów wyniósł 14,1-14,4%, co wskazuje na pełne odspojenie lepiszcza. W dalszej kolejności zostaną przeprowadzone dodatkowe analizy i korekty procesu. Charakterystyka kompozytów za pomocą mikroskopu elektronowego ma na celu dostarczenie informacji o jakości kompozytu. Pożądany proces tworzenia kompozytu przebiegł pomyślnie, co pokazano na Rysunku 14.

Schemat interfejsu stal nierdzewna-cyrkonia; analiza tlenkowej warstwy metalu; skala 3 µm.
Rycina 14Obraz SEM mikrostruktury na granicy faz metal-ceramika przedstawiający połączenie materiałów. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Wyniki wskazują, że obiecującym podejściem do wytwarzania kompozytów metalowo-ceramicznych jest zastosowanie metody FFF, która pozwala na nadanie jednemu komponentowi zarówno właściwości przewodzących, jak i izolujących elektrycznie. Ponadto, dzięki dobrej spójności materiałowej oraz spawalności stali nierdzewnej, możliwe staje się implementowanie części ceramicznych w środowiskach metalicznych. W ramach projektu UE wykonano za pomocą FFF urządzenia grzewcze zawierające ścieżkę przewodzącą wykonaną ze stali nierdzewnej w nieprzewodzącej matrycy z ZrO2. Na Rysunku 15 przedstawiono spieczone próbki. Te wielomateriałowe komponenty muszą zostać poddane dalszym analizom i testom.

Komponenty ogniwa paliwowego z tlenkiem litego, schemat przedstawiający układ ogniwa do badań nad konwersją energii.
Rycina 15Spiekane elementy grzejne wykonane z cyrkonii i stali nierdzewnej Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Rysunek 16 oraz Rysunek 17 przedstawiają nową głowicę drukującą z dwiema głowicami do druku FFF i dwiema głowicami do druku T3DP w formie modelu CAD (Rysunek 16), a także po implementacji w urządzeniu FFF (Rysunek 17). Jednym z wyzwań jest kontrolowanie wydatku dla obu systemów. W przypadku jednostek mikrodystrybucyjnych wydatek jest kontrolowany przez częstotliwość tłoka napędzanego piezoelektrycznie, zamiast prędkości silników krokowych w napędach pasowych wewnątrz głowic drukujących FFF. Interakcja obu urządzeń musi zostać przetestowana w przyszłości.

mechanizm druku 3D, FFF, komponenty T3DP, schemat, proces ekstruzji, wytwarzanie przyrostowe
Rysunek 16Model CAD nowej głowicy drukującej z dwiema głowicami druku FFF i dwiema głowicami druku T3DP. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Układ do druku 3D z podwójnymi głowicami drukującymi, oznaczone jako T3DP, głowica drukująca 1 i 2, do prototypowania.
Rysunek 17Zdjęcie nowej głowicy drukującej z dwiema głowicami do druku FFF i jedną głowicą do druku T3DP (po lewej). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Dyskusja

Zastosowany tu tlenek cyrkonu i stal nierdzewna doskonale nadają się do współspiekania elementów metalowo-ceramicznych ze względu na porównywalny CTE, temperaturę spiekania i atmosferę spiekania. Zachowanie spiekania tlenku cyrkonu i surowców ze stali nierdzewnej można regulować poprzez skuteczną obróbkę proszku ze stali nierdzewnej (rysunek 9). Dzięki zastosowaniu wymienionych materiałów i metod możliwe jest po raz pierwszy wytwarzanie makroskopowych części wolnych od wad przez FFF. Zgodnie z wiedzą autorów, nie jest znana żadna inna porównywalna metoda wytwarzania przyrostowego do wytwarzania takich części, z wyjątkiem T3DP19,20. Jedno zastosowanie dla metalowych elementów ceramicznych pokazano na rysunku 17, który jest elementem grzejnym z przewodzącą elektrycznie pętlową stalą nierdzewną w izolującej matrycy cyrkonowej.

Jednym z głównych wyzwań dla FFF komponentów metalowych i ceramicznych jest dramatyczny wzrost sztywności i kruchości włókien ze względu na wysoką zawartość części stałych. Dlatego wybór odpowiednich komponentów spoiwa był kluczowym czynnikiem sukcesu projektu. Ponadto wytrzymałość i elastyczność włókien można poprawić poprzez zastosowanie techniki mieszania z wysokim ścinaniem (rysunek 7). Zgodnie z wcześniejszymi badaniami z układami o wysokim napełnieniu28, poprawa ta może być spowodowana lepszą dyspersją proszku i redukcją aglomeratów 29,30.

Badanie i regulacja prędkości wytłaczania, ciągnięcia i nawijania podczas procesu produkcji filamentu pozwoliły na wyprodukowanie filamentów o wysokiej zawartości cząstek i odpowiednich wymiarach. Inne parametry, takie jak rozkład temperatury wewnątrz ekstrudera, a także zastosowanie urządzeń chłodzących, znacząco wpłynęły na jakość filamentu i zostały starannie dobrane.

Oba filamenty zostały pomyślnie przetworzone w urządzeniu FFF. Stwierdzono, że adhezja między surowcami jest bardzo dobra w stanie zielonym (rys. 7-9). Widoczne były tylko niewielkie niewypełnione objętości, które są typowe dla najnowocześniejszego procesu FFF (ryc. 13). Aby zamknąć te krytyczne objętości materiałami termoplastycznymi, urządzenie FFF zostało wyposażone w dwie mikrojednostki dozujące znane z T3DP 18,19,20,31,32, które umożliwiają osadzanie pojedynczych kropel w celu zamknięcia niewystarczających wypełnionych objętości, a także wytwarzanie drobniejszych struktur (ryc. 14 i 15).

Ograniczenia geometryczne związane ze złożonością lub rozdzielczością części są silnie zależne od ustawień drukarki, ciągłego przepływu materiału, a także używanego oprogramowania do krojenia. Zasady projektowania i wynikający z nich wygląd części są co najwyżej podobne do stosowania FFF tworzyw sztucznych.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ten projekt otrzymał dofinansowanie z programu Unii Europejskiej Horyzont 2020 w zakresie badań i innowacji na podstawie umowy o grant nr 678503.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Tlenek cyrkonuTZ-3YS-E Tosoh, Europa B.V.
Stal nierdzewnaUNS17400 -38 & mikro; mSandvik Osprey Sp. z o.o.
Tabela urządzeń i oprogramowania
, USA
mieszalnik z wirnikami rolkowymiPlasti-Corder PL2000Brabender GmbH & Co. KG, Niemcy
Model drukarki 3DCeramHAGE, Austria
młyn tnącySM200Retsch Gmbh  Niemcy
wytłaczarka współbieżnaZSE 18 HP-48DLeistrutz Extrusionstechnik GmbH, Niemcy
laserowe urządzenie pomiaroweLaser diagnostyczny 2010SIKORA AG, Niemcy
reometr kapilarnyReograf 2002Gö ttfert Werkstoff-Prü fmaschinen GmbH, Niemcy
Wytłaczarka jednoślimakowaFT-E20T-MP-ISDr. Collin GmbH, Niemcy
Piec wolframowyHochtemperatur-Wolframofen WOHV 250/300-1900VMUT Advanced Heating GmbH
piec do wypalania lepiszczaRetorten-Entbinderungsofen RRO 280 / 300-900VMUT Advanced Heating GmbH
młyn na ścieraniePE 1.4Erich NETZSCH GmbH & Co. Holding KG, Niemcy
PBM (planetarny młyn kulowy)PM 400Retsch Gmbh, Niemcy
sformating oprogramowanie Simplify 3D Simplify 3D

Bibliografia

  1. ISO/ASTM 52900:2015(en): manufacturing - General principles - Terminology. , (2015).
  2. Lakshminarayan, U., Orgrydiziak, S., Marcus, H. L. Selective laser sintering of ceramic materials. Proceedings of Solid Free-Form Symposium. , Austin, Texas, USA. 16-26 (1990).
  3. Lauder, A., Cima, M. J., Sachs, E., Fan, T. Three dimensional printing: Surface finish and microstructure of rapid prototyped components. Materials Research Society Symposium Proceedings. 249, 331-336 (1992).
  4. Chartier, T., Badev, A. Rapid Prototyping of Ceramics. Handbook of Advanced Ceramics 2nd ed. Somiya, S. , Elsevier Inc. Oxford, UK. (2013).
  5. Travitzky, N., et al. Additive Manufacturing of ceramic-based material. Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).
  6. 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).
  7. Felzmann, R., Gruber, S., Mitteramskogler, G., Tesavibul, P., Boccaccini, A. R., Liska, R., Stampfl, J. Lithography-based additive manufacturing of cellular ceramic structures. Advanced Engineering Materials. 14, 1052-1058 (2012).
  8. Lichthärtende Keramikschlicker für die stereolithographische Herstellung von hochfesten Keramiken. (light curing ceramic suspensions for stereolithography of high-strength ceramics). European patent. , 2404590A1 (2012).
  9. Homa, J. Rapid Prototyping of high-performance ceramics opens new opportunities for the CIM industry. Powder Injection Moulding International. 6 (3), 65-68 (2012).
  10. Admatec unveils ADMAFLEX 130 high performance ceramic 3D printer. , Available from: http://www.3ders.org/articles/20160502-admatec-unveils-admaflex-130-high-performance-ceramic-3d-printer.html (2016).
  11. France's 3DCeram partners with Japanese firm Sinto to expand ceramic 3D printing in Asia and US. , Available from: https://www.3ders.org/articles/20171006-frances-3dceram-partners-with-japanese-firm-sinto-to-expand-ceramic-3d-printing-in-asia-and-us.html (2017).
  12. Scheithauer, U., et al. CerAMfacturing - Development of ceramic and multi-material components by additive manufacturing methods for personalized medical products. 3D printing in Medicine. 2 (1), (2017).
  13. Kieback, B., Neubrand, A., Riedel, H. Processing techniques for functionally graded materials. Materials Science and Engineering - A. 362 (1-2), 81-106 (2003).
  14. Scheithauer, U., et al. Ceramic-Based 4D Components: Additive Manufacturing (AM) of Ceramic-Based Functionally Graded Materials (FGM) by Thermoplastic 3D Printing (T3DP). Materials. 10 (12), 1368(2017).
  15. Moritz, T., et al. Material- and process hybridization for multifunctional ceramic and glass components. Ceramic Applications. 5 (2), 66-71 (2017).
  16. Scheithauer, U., Schwarzer, E., Moritz, T., Michaelis, A. Additive Manufacturing of ceramic heat exchanger - Opportunities and limits of the Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM). Journal of Materials Engineering And Performance: Design, Process, Characterization, Evaluation. 27 (1), 14-20 (2018).
  17. Schwarzer, E., Götz, M., Markova, D., Stafford, D., Scheithauer, U., Moritz, T. Lithography-based ceramic manufacturing (LCM) - Viscosity and cleaning as two quality influencing steps in the process chain of printing green parts. Journal of the European Ceramic Society. 37 (16), 5329-5338 (2017).
  18. Scheithauer, U., Schwarzer, E., Richter, H. J., Moritz, T. Thermoplastic 3D Printing - An Additive Manufacturing Method for Producing Dense Ceramics. Journal of Applied Ceramic Technology. 12 (1), 26-31 (2014).
  19. Scheithauer, U., Bergner, A., Schwarzer, E., Richter, H. -J., Moritz, T. Studies on thermoplastic 3D printing of steel-zirconia composites. Journal of Materials Research. 29 (17), 1931-1940 (2014).
  20. Scheithauer, U., et al. Additive Manufacturing of Metal-Ceramic-Composites by Thermoplastic 3D-Printing. Journal of Ceramic Science and Technology. 06 (02), 125-132 (2015).
  21. Agarwala, M. K., et al. Filament Feed Materials for Fused Deposition Processing of Ceramics and Metals. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. Bourell, D. L., Beamen, J. J., Marcus, H. L., Crawford, R. H., Barlow, J. W. 7, (1996).
  22. Kukla, C., et al. Fused Filament Fabrication (FFF) of PIM Feedstocks. Actas del VI Congreso Nacional de Pulvimetalurgia y I Congreso Iberoamericano de Pulvimetalurgia 2017, 1st ed. Herranz, G., Ferrari, B., Cabrera, J. M. , Asociación ManchaArte. 1-6 (2017).
  23. Agarwala, M. K., et al. Structural Ceramics by Fused Deposition of Ceramics. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. , (1995).
  24. Agarwala, M. K., et al. Fused Deposition of Ceramics and Metals: An Overview. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. Bourell, D. L., Beamen, J. J., Marcus, H. L., Crawford, R. H., Barlow, J. W. , (1996).
  25. Onagoruwa, S., Bose, S., Bandyopadhyay, A. Fused Deposition of Ceramics (FDC) and Composites. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. Bourell, D. L., Beaman, J. J., Crawford, R. H., Marcus, H. L., Wood, K. L., Barlow, J. W. , (2001).
  26. McNulty, T. F., Shanefield, D. J., Danforth, S. C., Safari, A. Dispersion of Lead Zirconate Titanate for Fused Deposition of Ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 82 (7), 1757-1760 (1999).
  27. Mutsuddy, B. C., Ford, R. G. Ceramic injection moulding. , Chapman & Hall. London. (1995).
  28. Edirisinghe, M. J., Evans, J. R. G. Compounding Ceramic Powders Prior to Injection Moulding. Proceedings of the British Ceramic Society. 38, 67-80 (1986).
  29. Suri, P., et al. Effect of mixing on the rheology and particle characteristics of tungsten-based powder injection molding feedstock. Materials Science and Engineering: A. 356, 337-344 (2003).
  30. Venkataraman, N., et al. Mechanical and Rheological Properties of Feedstock Material for Fused Deposition of Ceramics and Metals (FDC and FDMet) and their Relationship to Process Performance. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium 1999. , Austin, Texas, USA. 9-11 (1999).
  31. Scheithauer, U., et al. Investigation of Droplet Deposition for Suspensions Usable for Thermoplastic 3D Printing (T3DP). Journal of Materials Engineering and Performance. 27 (1), 44-51 (2017).
  32. Weingarten, S., et al. Multi-material Ceramic-Based Components - Additive Manufacturing of black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing (T3DP). Journal of Visual Experiments. , (2018).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Kompozyty metalowo-ceramicznewytwarzanie przyrostowecyrkon stal nierdzewnaprzygotowanie materiału wsadowegodwuślimakowa wytłaczarkaekstruzja filamentudruk wielomateriałowyodpalanie i spiekanieskaningowa mikroskopia elektronowa
Produkcja stopionych włókien (FFF) elementów metalowo-ceramicznych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.