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

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.
1. Wykorzystane materiały
2. Produkcja filamentu

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.
3. Wytwarzanie przyrostowe komponentów surowych

Rysunek 3Proces wytwarzania komponentu metalowo-ceramicznego o strukturze wieżowej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

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
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).

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Rysunek 16Model CAD nowej głowicy drukującej z dwiema głowicami druku FFF i dwiema głowicami druku T3DP. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

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.
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.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ten projekt otrzymał dofinansowanie z programu Unii Europejskiej Horyzont 2020 w zakresie badań i innowacji na podstawie umowy o grant nr 678503.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Tlenek cyrkonu | TZ-3YS-E | Tosoh, Europa B.V. | |
| Stal nierdzewna | UNS17400 -38 & mikro; m | Sandvik Osprey Sp. z o.o. | |
| Tabela urządzeń i oprogramowania | |||
| , USA | |||
| mieszalnik z wirnikami rolkowymi | Plasti-Corder PL2000 | Brabender GmbH & Co. KG, Niemcy | |
| Model drukarki 3D | Ceram | HAGE, Austria | |
| młyn tnący | SM200 | Retsch Gmbh Niemcy | |
| wytłaczarka współbieżna | ZSE 18 HP-48D | Leistrutz Extrusionstechnik GmbH, Niemcy | |
| laserowe urządzenie pomiarowe | Laser diagnostyczny 2010 | SIKORA AG, Niemcy | |
| reometr kapilarny | Reograf 2002 | Gö ttfert Werkstoff-Prü fmaschinen GmbH, Niemcy | |
| Wytłaczarka jednoślimakowa | FT-E20T-MP-IS | Dr. Collin GmbH, Niemcy | |
| Piec wolframowy | Hochtemperatur-Wolframofen WOHV 250/300-1900V | MUT Advanced Heating GmbH | |
| piec do wypalania lepiszcza | Retorten-Entbinderungsofen RRO 280 / 300-900V | MUT Advanced Heating GmbH | |
| młyn na ścieranie | PE 1.4 | Erich NETZSCH GmbH & Co. Holding KG, Niemcy | |
| PBM (planetarny młyn kulowy) | PM 400 | Retsch Gmbh, Niemcy |