Wielomateriałowe komponenty na bazie ceramiki – produkcja addytywna czarno-białych komponentów cyrkonowych metodą termoplastycznego druku 3D (CerAM - T3DP)

Ta metoda może pomóc otworzyć drzwi dla komponentów ceramicznych do różnorodnych zastosowań, takich jak reaktory ceramiczne, narzędzia chirurgiczne lub niestandardowe produkty luksusowe. Główną zaletą tej techniki jest to, że położenie niektórych materiałów odbywa się selektywnie. Certyfikacja niektórych materiałów odbywa się niezależnie od niektórych właściwości materiału.

Pomysł na tę metodę pojawił się, gdy zastanawialiśmy się nad adaptacją naszej wiedzy z zakresu podejść wielomateriałowych do wytwarzania przyrostowego. Aby zrobić zawiesinę termoplastyczną, najpierw wybierz proszki. Produkcja addytywna obiektów czarno-białych wymaga dwóch proszków.

W tym przypadku do wyboru są tlenek cyrkonu-1 i tlenek cyrkonu biały-1. Które mają porównywalne temperatury centrowania. Uzyskaj obrazy ze skaningowego mikroskopu elektronowego emisji pola obu proszków, aby scharakteryzować niektóre z nich pod względem kształtu i powierzchni cząstek.

Tutaj średnia średnica białych cząstek tlenku cyrkonu wynosi około 4/10 mikrometra. Mierzone za pomocą dyfraktometru laserowego czarne cząstki tlenku cyrkonu mają średnią średnicę 1/2 mikrometra. Przejdź do przygotowania zawiesin w podgrzewanym roztworze do rozpuszczania.

Przygotować każdą zawiesinę oddzielnie za pomocą rozpuszczonego w temperaturze 100 stopni Celsjusza, topiąc mieszaninę parafiny i wosku pszczelego. Przed kontynuowaniem sprawdź naczynie, aby upewnić się, że topienie zostało zakończone. Po zakończeniu topienia homogenizować mieszaninę polimerów.

Następnie zmniejsz prędkość dysku resolwera. Następnie, w kilku krokach, powoli dodawaj jeden z proszków cyrkonu, tak aby stał się 40% objętości mieszanki. Po stopieniu parafiny, wosku pszczelego i innych składników chemicznych homogenizuj mieszaninę polimerów.

Następnie zmniejsz prędkość dysku do rozładowywania. Następnie, w kilku krokach, powoli dodawaj jeden z proszków cyrkonu, tak aby stał się 40% objętości mieszanki. Zatrzymaj się, gdy zawartość proszku wynosi 40% objętości.

Wartość docelowa zarówno dla czarnego, jak i białego zawieszenia. Następnie mieszaj mieszaninę polimerów w proszku przez dwie godziny w temperaturze 100 stopni Celsjusza. Po wymieszaniu upewnij się, że mieszanina jest homogenizowana przed poprzednim.

Tak jak stworzyli, scharakteryzuj każdą stopioną zawiesinę za pomocą reometru. Wykreślić lepkość dynamiczną jako funkcję szybkości ścinania dla różnych temperatur. Dane te dotyczą tlenku cyrkonu czarnego-1 i tlenku cyrkonu białego-1 w dwóch różnych temperaturach.

Dla danej zawiesiny i temperatury upewnij się, że lepkość dynamiczna jest poniżej 100 sekund paskala dla szybkości ścinania 10 na sekundę. Poniżej 20 paskali sekund dla szybkości ścinania 100 na sekundę. I poniżej jednej sekundy paskala dla szybkości ścinania 5000 na sekundę.

W razie potrzeby zmień lepkość dynamiczną, zwiększając temperaturę lub dodając mieszaninę polimerów. Rozpocznij pracę z termoplastycznym urządzeniem do drukowania 3D. Rysunek ten przedstawia trzy mikro systemy dozujące urządzenia.

Które mogą pracować jednocześnie lub indywidualnie. Przedstawiono również skaner profili używany do scharakteryzowania wyjścia głowicy drukującej. Jest to termoplastyczna głowica drukująca 3D, tak jak wygląda w systemie drukowania.

Wybierz dwa dozowniki, których chcesz użyć. W przypadku czarno-białej produkcji addytywnej dodaj czarną zawiesinę do jednego dozownika, a białą zawiesinę do drugiego. Gdy będziesz gotowy, eksperymentuj, zmieniając częstotliwość osadzania, prędkości osi i inne parametry dla pojedynczych kropel i łańcuchów kropel.

Zastosuj skaner profili, który wykorzystuje niebieski laser do zbierania danych w celu scharakteryzowania danych wyjściowych. Zidentyfikuj parametry dozowania, aby kropelki obu materiałów miały te same właściwości. Dostosuj odległość między pojedynczymi kroplami, aby uniknąć różnic w wysokości dla różnych materiałów.

Poniżej znajdują się przykłady pojedynczych kropel i łańcuchów kropelkowych, produkowanych o różnych parametrach i wykorzystujących zarówno czarne, jak i białe zawiesiny. Przejrzyj dane wyjściowe zakresu parametrów dotyczących kształtu, objętości i jednorodności. Po ustaleniu parametrów wydruku zdecyduj się na żądaną część.

Użyj wygenerowanego modelu 3D części i zapisz plik modeli w formacie wytwarzania przyrostowego. W oprogramowaniu Slicer przypisz dwa materiały do różnych obszarów komponentów, przydzielając odpowiedni system mikrodozowania. Wygeneruj i prześlij kody G do drukarki.

Upewnij się, że parametry są ustawione i uruchom zadanie. Wydrukowanie tego kawałka zajmie około godziny przy ośmiu milimetrach na sekundę. Odzyskaj próbkę po zakończeniu procesu budowania.

W tym momencie próbka jest gotowa do usunięcia lepiszcza. Pobrać próbkę, aby przygotować ją do usunięcia lepiszcza. Umieść próbkę na grubym sicie na złożu proszku tlenku glinu w celu podparcia i rozprowadzenia temperatury.

Następnie umieść złoże proszkowe z próbką w piecu z atmosferą powietrzną. I ustaw program ogrzewania i chłodzenia, aby zapewnić połączenie bez wad. Pobrać próbkę, gdy ma temperaturę pokojową.

I kontynuuj kolejne kroki. Usunąć próbkę z proszku do ściółki. Następnie ostrożnie usuń proszek pościelowy za pomocą cienkiej szczoteczki.

W celu ponownego usunięcia lepiszcza należy umieścić próbkę na meblach pieca z tlenku glinu. Powrócić do pieca z atmosferą powietrzną i zastosować szybsze tempo ogrzewania i takie samo tempo chłodzenia dla próbki. Po schłodzeniu przenieść próbkę do pieca centrującego atmosferę powietrza.

Wyśrodkuj próbkę w temperaturze 1 350 stopni Celsjusza na dwie godziny. Jest to wyprodukowany element na końcu etapów usuwania spoiwa i centrowania, wraz z jego modelem 3D. Użyj skanera 3D, aby scharakteryzować skurcz komponentów, który powinien wynosić około 20% w każdym kierunku.

Wykonaj dalszą charakterystykę na wyciętych i wypolerowanych próbkach drukowanych. Ten obraz ze skaningowej mikroskopii elektronowej z emisją pola przedstawia przekrój czynny na granicy faz strugarki między wyśrodkowanym tlenkiem cyrkonu białym-1 a tlenkiem cyrkonu-1. Uzyskaj więcej informacji dzięki analizie spektroskopowej rentgenowskiej z dyspersją energii w tych dwóch regionach.

Szukając pików związanych z tlenkiem glinu, wyniki wskazują, że więcej krzyżówek tlenku glinu występuje w tlenku cyrkonu czarnym-1. Te punkty pomiarowe znajdują się w czarnym obszarze tlenku cyrkonu. Ich skład ujawnia się za pomocą spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii.

Widma z tej bardziej szczegółowej analizy pokazują, że w czarnej mikrostrukturze tlenku cyrkonu wytrącił się tlenek glinu. Raz opanowana technika może zmienić sposób projektowania i wykorzystywania elementów ceramicznych. Korzystając z tej technologii trzeba pamiętać, że jest to tylko technologia kształtująca.

A zielone ciała muszą zostać usunięte i wyśrodkowane, aby uzyskać końcowe właściwości ceramiczne. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak łączyć materiały ceramiczne za pomocą produkcji addytywnej.