Summary
Hier beschreiben wir ein Protokoll für Additiv schwarz-weiß-Zirkonia Produktionskomponenten von thermoplastischen 3D-Druck (CerAM - T3DP) und Co Sintern mangelfrei.
Abstract
Verbinden wir die Vorteile von Additive Manufacturing (AM) mit den Vorteilen von funktionell benotet Materialien (FGM), Keramik-basierten 4D Komponenten (drei Dimensionen für die Geometrie und einen Freiheitsgrad bezüglich der Materialeigenschaften in jeder Position) der Thermoplastische 3D-Druck (CerAM - T3DP) wurde entwickelt. Es ist eine direkte AM-Technik AM Multi-material-Komponenten ermöglicht. Die Vorteile dieser Technologie schwarz-weiß-Zirkonia-Komponenten zeigen wurden Additiv hergestellt und Co gesintert mangelfrei.
Zwei verschiedene Paare von schwarzen und weißen Zirkonia Pulver wurden verwendet, um verschiedene thermoplastische Suspensionen vorzubereiten. Entsprechenden Abgabe Parameter wurden untersucht, um Single-Material-Test-Komponenten zu fertigen und für die additive Fertigung von Multi-Color Zirkonia Komponenten angepasst.
Introduction
Funktional benotet Materialien (FGM) sind Materialien mit einer Vielzahl von Eigenschaften hinsichtlich Übergänge in der Mikrostruktur oder in der Werkstoff-1. Diese Übergänge können diskret oder kontinuierlich sein. Verschiedene Arten von FGM sind bekannt, wie z. B. Komponenten mit materiellen Steigungen, abgestufte Porosität sowie mehrfarbige Komponenten.
FGM-Komponenten können durch einzelne konventionelle Formgebung Technologien2,3,4,5,6,7 oder durch eine Kombination dieser Technologien für hergestellt werden z.B. durch in-mould-labeling als eine Kombination von Band-Casting und Spritzguss-8,9.
Additive Manufacturing (AM) ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit einer bisher nie da gewesene Freiheit des Designs. Dies gilt als der Stand der Technik Gestaltung Technologie für Polymere und Metalle. Erste kommerzielle Prozesse für die Bearbeitung von Keramik sind verfügbar10, und fast alle bekannten AM Technologien dienen für Uhr aus Keramik in Labors auf der ganzen Welt11,12,13.
Kombinieren die Vorteile von AM mit wurde die Vorteile von FGM für Keramik-basierten 4D Komponenten (drei Dimensionen für die Geometrie und einen Freiheitsgrad bezüglich der Materialeigenschaften in jeder Position) der thermoplastischen 3D-Druck (CerAM - T3DP) an entwickelt Fraunhofer IKTS in Dresden, Deutschland, als eine direkte AM-Technik. Dadurch ist die Uhr von mehreren Materialkomponenten14,15,16,17. CerAM - T3DP basiert auf die selektive Abscheidung von einzelnen Tröpfchen von thermoplastischen Suspensionen Teilchen gefüllt. Durch die Nutzung mehrerer Dosiersysteme, verschiedenen thermoplastische Suspensionen können nebeneinander Schicht für Schicht Masse produzieren hinterlegt werden Material sowie Eigenschaft Gradienten innerhalb der additiv hergestellte grüne Teile18. Im Gegensatz zu indirekten AM Verfahren, in denen zuvor hinterlegte Materialien gezielt über die gesamte Schicht, der CerAM - verfestigen erfordert keine T3DP Prozess den zusätzlichen Aufwand nicht erstarrtem Material vor der Ablagerung des nächsten Materials zu entfernen, eignet sich mehr für die AM-Multimaterial Komponenten.
Obwohl der CerAM - T3DP nutzt Prozess ermöglicht es, die Uhr von FGM und die Realisierung von Keramik-basierte Komponenten mit noch nie dagewesenen Eigenschaften gibt es Herausforderungen hinsichtlich der notwendigen thermischen Behandlung nach den AM Prozess zu überwinden, um zu erhalten eine -Multimaterial Verbund. Insbesondere müssen die gepaarten Pulver im Verbundwerkstoff erfolgreich Co gesintert werden, wofür ist die Sinterung der Komponenten bei der gleichen Temperatur und Atmosphäre durchzuführen. Daher ist es eine Voraussetzung für alle Materialien haben eine vergleichbare Sintertemperatur und Verhalten (Starttemperatur von Sintern, Schrumpfverhalten). Zur Vermeidung von kritischen mechanischen Belastungen während des Abkühlens muss des thermischen Ausdehnungskoeffizienten aller Materialien ungefähr gleich11sein.
Die Kombination von Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften in einem Bauteil öffnet die Tür zu Komponenten mit noch nie dagewesenen Eigenschaften für vielfältige Anwendungen. Z.B. Edelstahl-Zirkonia Composites einsetzbar als Schneidwerkzeuge, verschleißfester Komponenten, Energie und Brennstoffzellenkomponenten oder bipolare chirurgische Instrumente19,20,21,22, 23,24. Solche Komponenten konnte von CerAM - T3DP14,15,16,17, auch nach der Einstellung für das Sintern Verhalten durch eine spezielle Fräsen Prozess16realisiert werden.
Keramik-basierte FGM mit einer abgestuften Porosität wie dicht und porös Zirkonia kombinieren sehr gute mechanische Eigenschaften in den dicht besiedelten Gebieten mit einer hohen aktiven Oberfläche der porösen Bereiche. Dergleichen Komponenten können Additiv von CerAM - T3DP18hergestellt werden.
In diesem Artikel untersuchen wir AM Zirkonia Komponenten mit zwei verschiedenen Farben in einem Bauteil von CerAM - T3DP. Wir entschieden uns für weißen und schwarzen Zirkonia, weil diese Kombination in einem keramische Bauteil für Schmuck Anwendungen interessant ist. Die Nachfrage von individualisierten Luxusgütern ist sehr hoch und er wächst. Technologien, die AM Keramik-basierte Multi-material-Komponenten mit hoher Auflösung und sehr gute Oberflächeneigenschaften ermöglichen ermöglicht es, um diese Nachfrage zu befriedigen. Keramik wie Zirkonia werden beispielsweise verwendet, um Produkte Uhr Komponenten wie Uhrengehäuse und Einfassungen oder für Ringe durch die besondere Haptik, Blick, Härte und geringeres Gewicht im Vergleich zu Metallen.
Protocol
(1) thermoplastischen Aufhängung für CerAM - T3DP
- Auswahl von Pulvern
- Für die Zubereitung von schwarzen Thermoplasten Suspensionen verwenden Schwarz Zirkonia Pulver Zirkonia schwarz - 1 und Zirkonia schwarz - 2.
- Verwenden Sie für die Zubereitung von weißen Thermoplasten Suspensionen Zirkonia weiß - 1 und Zirkonia weiß - 2.
Hinweis: Der Hersteller von Zirkonia schwarz - 2 nutzt Pigmente (4,2 wt.-%) für die Färbung von der Zirkonoxid und auch fest, dass beide Pulver Sintern dasselbe Verhalten aufweisen. Darüber hinaus trägt der hohe Anteil von Aluminiumoxid (20,43 wt.-%), die weiße Farbe des Zirkonia weiß - 2. Die Pulver Zirkonia schwarz - 1 und Zirkonia weiß - 1 haben eine andere Zusammensetzung und erfordern daher eine andere Sintertemperatur für vollständige Verdichtung. Zirkonia schwarz - 1 besteht im Gegensatz zu Zirkonia weiß - 1höchstens 5 wt.-% Pigmente. Die empfohlene Sintern Temperaturen sind 1400 ° C für Zirkonia schwarz - 1 und 1350 ° C für Zirkonia weiß - 1.
- Charakterisieren Sie die Pulver hinsichtlich Form, Fläche und Partikelgrößenverteilung.
Hinweis: Electron scanning-Mikroskopie Bilder wurden verwendet, um die Form der Partikel zu charakterisieren. Die Korngrößenverteilung der eingesetzten Pulver wurde durch eine Laser-Beugung-Methode (Laser-Diffraktometer) gemessen. Die Maße für die spezifischen Oberflächeneigenschaften der verwendeten Pulver wurden vom Hersteller bereitgestellt. - Schmelzen Sie für die Zubereitung von verschiedenen Zirkonia Suspensionen eine Mischung aus Paraffin und Bienenwachs bei einer Temperatur von 100 ° C in einem beheizbaren Dissolver und homogenisieren Sie die Polymer-Mischung.
- Fügen Sie das Pulver in mehreren Schritten zu einen Pulver-Gehalt von 40 vol.% zu erreichen.
- Homogenisieren der Pulver-Polymer-Gemisch durch Rühren für 2 h bei 100 ° C. Sicherstellen Sie, dass alle Suspensionen inhaltsgleiche Pulver (40 vol.%).
- Charakterisierung von Suspensionen
- Charakterisieren Sie das rheologische Verhalten der flüssigen Suspension mit einem Rheometer für Scherraten in einem Bereich zwischen 0-5.000/s für verschiedene Temperaturen in einem Bereich zwischen 85 ° C und 110 ° C.
Hinweis: Wir haben ein Rheometer einstellbar zwischen-25 ° C bis 200 ° C mit einer Platte/Platte-Mess-System (25 mm Durchmesser). Das Drehmoment wurde gemessen, und die dynamische Viskosität berechnet. - Plotten die dynamische Viskosität als Funktion der Schergeschwindigkeit und stellen sicher, dass die dynamische Viskosität unter 100 Pa·s für einer Scherrate von 10/s, unterhalb 20 Pa·s für einer Scherrate von 100/s und unter 1 Pa·s für einer Scherrate von 5.000/s oder Erhöhung der Temperatur innerhalb des zulässigen Bereichs.
- Ändern der Aussetzung Zusammensetzung durch Polymer-Mischung hinzufügen, ist die dynamische Viskosität zu hoch, selbst bei einer Temperatur von 110 ° C.
- Charakterisieren Sie das rheologische Verhalten der flüssigen Suspension mit einem Rheometer für Scherraten in einem Bereich zwischen 0-5.000/s für verschiedene Temperaturen in einem Bereich zwischen 85 ° C und 110 ° C.
2. Herstellung von Einzel- und Multi-Material-Komponenten von CerAM - T3DP
- Verwendete Gerät
Abbildung 1 zeigt eine CAD-Zeichnung von gebrauchten CerAM - T3DP-Gerät mit einem Profil-Scanner und drei verschiedenen Mikro Schankanlagen, die gleichzeitig oder abwechselnd arbeiten können. Verwenden Sie zwei von ihnen, schwarz-weiß-Komponenten herzustellen.- Die Abscheidung der Tropfen auf eine Frequenz bis zu 100/s und die Achsen zu bewegen mit einer maximalen Geschwindigkeit von 20 mm/s eingestellt.
- Untersuchung der Ablagerung Parameter
Untersuchen Sie den Einfluss der Ablagerung Parameter (arbeiten Geschwindigkeiten des Mikro Dosiersystems, Temperaturen von Aussetzung Reservoir und Düse; Geschwindigkeit der Achse) auf die Eigenschaften des resultierenden Tröpfchen (Form, Volumen, Homogenität) oder Tröpfchen Ketten (Form, Volumen, Homogenität).- Die Ablagerung Parameter variieren und einzelne Tröpfchen sowie Tropfenketten mit unterschiedlichen Frequenzen und Achsen Geschwindigkeiten für Ablagerung zu hinterlegen.
Hinweis: Der Einfluss der Dispenser-Parameter auf die Eigenschaften der Materialien wurde vor25diskutiert. Parameter Wert Grenzen sind nur empirisch ermittelt worden. - Stellen Sie sicher, dass die Varianz in Tröpfchen Höhe und breite Kette sollte 3 % nicht überschreiten. Variieren die Parameter Impulsbreite, Tröpfchen Fusion Faktor (DFF) und Extrusion Breite (slicing Parameter), Durchmesser zu kompensieren Unterschiede bis zu 100 µm und Höhenunterschiede bis zu 50 Mikrometer.
Hinweis: Es ist nicht notwendig und wahrscheinlich nicht möglich, perfekt geformte Hemisphären als einzelne Tröpfchen zu realisieren, aber Sie müssen sicherstellen, dass die Homogenität der Tropfenbildung sehr hoch ist, um ein homogenes Gebäude der Komponenten garantieren. - Wiederholen Sie diesen Schritt mit verschiedenen Ausgangsparameter einen Parametersatz zu finden, der möglichst homogene Tropfenform in Bezug auf Tropfendurchmesser, Breite und Höhe bietet.
- Die Ablagerung Parameter variieren und einzelne Tröpfchen sowie Tropfenketten mit unterschiedlichen Frequenzen und Achsen Geschwindigkeiten für Ablagerung zu hinterlegen.
- Herstellung von Einzel-Material-Test-Komponenten
- Verwenden Sie ein generierte 3D Modell des gewünschten Teils und speichern Sie die Datei als STL oder AMF-Dateiformat.
- Verwenden Sie ein schneidene Programm (z.B. Slicer 1 oder Slicer-2) um zu den entsprechenden G-Code zu generieren. Legen Sie die Eigenschaften für die Tropfenform im Schritt 2.2 erworben.
- Laden Sie den G-Code und füllen Sie die Prozessparameter der CerAM - T3DP-Gerät. Stellen Sie CerAM ein - T3DP-Gerät für die Parameter, die in Schritt 2.2, die entsprachen, die Tropfenform der Hobel zur erhaltenen. Starten Sie die Gerätesoftware um die Gebäude-Auftrag zu starten.
Hinweis: Es empfiehlt sich, bestimmte Proben herzustellen, bevor Sie die gewünschte Gebäudeteil oder neue Suspensionen.
- CerAM - T3DP Multi-material-Komponenten
- Führen Sie für jedes Material beteiligten Schritt 2.2 aus.
- Wählen Sie die Abgabe Parameter für beide Materialien, die ungefähr die gleichen Tropfen Merkmale aufweisen.
- Passen Sie die Layer Höhen durch Veränderung des Abstandes zwischen den einzelnen Tröpfchen und die daraus resultierende überschneiden sich unterschiedliche Höhen für die unterschiedlichen Materialien zu vermeiden, die große Mängel und defekte Bauteile führen kann.
Hinweis: Durch Verringerung des Abstandes zwischen zwei Tropfen und die damit verbundenen größere Überlappung, die Breite und Höhe der Tropfen Kette steigt durch die nahezu konstantem Volumen der einzelnen Tröpfchen. Es ist festzustellen, dass die Tropfen Kette breite schneller als die Tropfen Kette Höhe erhöht. - Verwenden Sie ein generierte 3D Modell des gewünschten Teils und speichern Sie die Datei als AMF-Dateien. Wenn durch die Schneidemaschine unterstützt können mehrere Komponentenbereiche auch im STL-Dateiformat gespeichert werden.
- Weisen Sie entsprechende Komponentenbereiche um Multi-material-Komponenten zu drucken zu, das zugehörige Material in der Schneid-Software durch die Bereitstellung eines entsprechenden Mikro Dosieranlage für jedes Material.
- Generieren Sie die G-Codes für jedes Material mithilfe der Slicer-Software.
- Laden Sie den G-Code und füllen Sie die Prozessparameter der CerAM - T3DP-Gerät. Stellen Sie CerAM ein - T3DP-Gerät für die Parameter, die in Schritt 2.2, die entsprachen, die Tropfenform der Hobel zur erhaltenen. Starten Sie die Gerätesoftware um die Gebäude-Auftrag zu starten.
3. Co-Entbinderung und Co Sintern von Single - und Multi - Material Komponenten
- Debind die grüne Proben in den folgenden zwei Schritten.
- Legen Sie zuerst die Proben in eine lose Masse der grobkörnige Aluminiumoxid-Pulver (Pulverbett) strukturell die Proben sowie Gewährleistung der eine homogene Temperaturverteilung und die Beseitigung der verwendeten Bindemittel durch Kapillarkräfte fördern unterstützen.
- Führen Sie eine Entbinderung mit einer sehr niedrigen Heizrate in einem Ofen (Entbinderung Ofen) unter Luftatmosphäre bis zu 270 ° C. Legen Sie die Heizrate auf 4 K/h um eine fehlerfreie Entbinderung sicherzustellen.
- Entfernen Sie nach diesem ersten Entbinderungsprozess Schritt vorsichtig das Bettzeug Pulver zum Beispiel mit einem feinen Pinsel. Legen Sie die Proben auf Aluminiumoxid Brennhilfsmittel.
- Anwenden einen zweiten Entbinderungsprozess Schritt unter Luftatmosphäre bis zu 900 ° C (12 K/h) im gleichen Ofen.
Hinweis: Alle verbleibenden organischen Bindemittel Materialien wurden thermisch entfernt, während innerhalb im selben Schritt ein Pre-Sintern der Zirkonia Partikel initiiert wurde, um die spätere Übertragung der Proben an ein Sintern Brennofen zu ermöglichen. - Schließlich Sintern Sie die Proben unter Luftatmosphäre 1.350 ° c (180 K/h) für 2 h in einem geeigneten Ofen (Sintern Ofen). Charakterisieren Sie die Schrumpfung der Komponenten durch Längenmessung in drei Dimensionen zu und stellen Sie sicher, dass es etwa 20 % für jede Richtung.
4. Charakterisierung von Single und Multi - Material-Komponenten
- Schneiden Sie die Proben richtig und Polieren Sie die Oberfläche mit Ceramographic Methoden.
- Wenden Sie Untersuchungen der Mikrostruktur mithilfe von Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM an).
- Überprüfen Sie die Porosität der beiden Phasen und an der Grenze-Schnittstelle der verwendeten Materialien. Um zu erhalten ein detaillierte Ergebnis führen eine Analyse der Schnittstellen, z. B. durch FESEM und anschließende Bildanalyse zu untersuchen, die Durchlässigkeit innerhalb der gesinterten Mikrostruktur.
Die gezielte Porosität liegt unter 1 %. Wenn die Porosität zu hoch ist, variieren Sie die Ablagerung Parameter steigen (2.2) und/oder das Regime der thermischen Behandlung (3).
Representative Results
Für die Herstellung von gemessenen Komponenten wurden nur Pulver des gleichen Herstellers für die einzelnen-Multimaterial Komponenten kombiniert. Experimente mit Pulver verschiedener Hersteller in einem Bauteil sind noch nicht abgeschlossen. Zu diesem Zweck haben die verschiedenen schrumpfen Tarife berücksichtigt werden.
Das Messergebnis des durchschnittlichen Partikeldurchmesser (d50) von Zirkonia weiß - 1 nach Zerstreuung war 0,37 µm. Der Hersteller stellt eine tatsächliche Partikelgröße von 0,04 µm (eine Größenordnung weniger). Die mittlere Teilchengröße (d50) von Zirkonia schwarz - 1 ist 0,5 µm. Abbildung 2 (A) zeigt die FESEM Analyse der Zirkonia weiß - 1 und Abbildung 2 (B) ein FESEM-Bild der Oberfläche des Granulat ausführlich. Abbildung 2 (C) und Abbildung 2 (D) zeigen das gleiche für Zirkonia schwarz - 1. Beiden unbehandelten Pulver bestehen aus großen kugelförmigen Granulat (Durchmesser bis zu 100 µm) ist typisch für trockene Pressen Rohstoffe. Die FESEM-Bilder der Granulat-Oberflächen zeigen die Primärteilchen Zirkonia weiß - 1 (Abbildung 2 (B)) und Zirkonia schwarz - 1 (Abbildung 2 (D)) mit einer tatsächlichen Teilchengröße von fast 0,04 µ m.
Abbildung 2 (E) - 2 (H) zeigen die FESEM-Bilder der Zirkonia weiß - 2 und Zirkonia schwarz - 2. Die gemessene durchschnittliche Partikelgrößen (d50) der Zirkonia Pulver Zirkonia weiß - 2 und Zirkonia schwarz - 2 sind 0,27 µm bzw. 0,25 µm, wobei die Partikel sind als kugelförmiges Granulat mit Durchmessern bis zu 100 µm (Abbildung 2 (E) und Abbildung 2 (G)). Die Größe der weißen Pulver Primärpartikel liegt unter 0,1 µm (Abbildung 2 (F)). Das schwarze Pulver Primärpartikel sind bis zu 0.5 µm im Durchmesser (Abbildung 2 (H)).
Abbildung 3 (A) zeigt die dynamische Viskosität der Suspensionen basierend auf Zirkonia weiß - 1 und Zirkonia schwarz - 1 als Funktion der Schergeschwindigkeit und in Abhängigkeit der Temperatur (85 ° C und 100 ° C). Beide Suspensionen zeigen eine Schere Ausdünnung Verhalten unabhängig von der Temperatur.
Tabelle 1 fasst die gemessenen Viskositäten von Suspensionen bei verschiedenen Scherraten und für verschiedene Temperaturen.
Abbildung 3 (B) zeigt das rheologische Verhalten von Suspensionen, die basierend auf Zirkonia weiß - 2 und Zirkonia schwarz - 2 (85 ° C und 100 ° C). Alle Diagramme zeigen eine Schere Ausdünnung Verhalten. Tabelle 2 fasst die gemessenen Viskositäten von Suspensionen bei verschiedenen Scherraten und für verschiedene Temperaturen.
Neben Shear Rate-gesteuerte Messungen wurden Langzeitmessungen durchgeführt. Abbildung 3 (C) zeigt den Verlauf der dynamischen Viskosität während der Langzeit-Messung für alle vier Aufhängungen bei einer konstanten Scherrate von 10/s über 2 h. Während die dynamische Viskosität von weißen Zirkonia-Suspensionen (Zirkonia weiß - 1 und Zirkonia weiß - 2) nahezu konstant ist (Tabelle 3), die dynamische Viskosität neigt dazu, etwas von der schwarzen Zirkonia (Zirkonia schwarz - 1 verringern und Zirkonia schwarz - 2).
Nach der empirischen Bestimmung der Dosierung Parameter wurde die Fertigung von Einzelkomponenten, drei dimensionale Strukturen überschaubar für jedes Fahrwerk. Abbildung 4 (A) zeigt eine komplexe gesinterten Teststruktur auf die Aussetzung basierend des gemacht Zirkonia weiß - 1 und Additiv hergestellt von CerAM - T3DP. Gleich testen Struktur Additiv hergestellt von CerAM - T3DP und Zirkonia schwarz - 1-Federung ist in Abbildung 4 (B)dargestellt.
Abbildung 4 (C) zeigt eine gesinterte Teststruktur basierend auf den Zirkonia Suspensionen der Zirkonia weiß - 2, Abb. 4 (D) eine gesinterte Teststruktur Zirkonia schwarz - 2auf. Im Anschluss an die Fertigung der Bauteile einfarbige fand die Herstellung von Multi-Color-Komponenten. Abbildung 4 (D) bis 4 (F) zeigen, dass einige Multi-Color Zirkonia Komponenten additive Fertigung mit der CerAM - T3DP gesintert.
Abbildung 5 (A) und Abbildung 5 (B) zeigen FESEM-Bilder von der Mikrostruktur des Multi-Color-Komponenten mit einer klar unterscheidbare Schnittstelle zwischen die zwei Aufhängungen anhand der Zirkonia Pulver Zirkonia weiß - 1 (oben) und Zirkonia schwarz - 1 (unten).
Eine Energy-dispersive x-ray spektroskopische Analyse (EDX) zeigte, dass in der Mikrostruktur des gesinterten Zirkonia schwarz - 1 mehr Aluminiumoxid-Kruste (Abbildungen 6 (A-C)) auftritt. Die Zusammensetzung der auszuwertende die und Zirkonia schwarz - 1-Mikrostruktur vor allem in den dunklen Partien in mehr Detail weiteren EDX Untersuchungen fand statt (Abbildungen 6 (D-G)), die die Ausfällung von Aluminiumoxid (Abbildung 6 (E) zeigte ).
Abbildung 1: CAD-Zeichnung des verwendeten CerAM - T3DP-Gerät mit drei Mikro-Abgabe-Einheiten und eine Oberflächenscanners. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: FESEM-Bild von gebrauchten Zirkonoxid Granulate. (A) Zirkonia weiß - 1 Granulate - Übersicht und (B) Oberfläche; (C) Zirkonia schwarz - 1 Granulate - Übersicht und (D) Oberfläche; (E) Zirkonia weiß - 2 Granulat - Übersicht und (F) Oberfläche; (G) Zirkonia schwarz - 2 Granulat - Übersicht und (H) Oberfläche.
Abbildung 3: rheologische Verhalten von thermoplastischen Suspensionen. (A) auf Basis der Zirkonia Pulver Zirkonia weiß - 1 und Zirkonia schwarz - 1; (B) Basis auf der Zirkonia Pulver Zirkonia weiß - 2 und Zirkonia schwarz - 2; (C) Vergleich der alle vier Aufhängungen während einer langfristigen Messung bei einer konstanten Scherung von 10/s.
Abbildung 4: gesinterte Single - und multi - material Teststrukturen Additiv hergestellt von T3DP. (A) basierend auf Zirkonia weiß - 1 -Federung; (B) basierend auf Zirkonia schwarz - 1 -Federung; (C) basierend auf Zirkonia weiß - 2 -Federung; (D) basierend auf Zirkonia schwarz - 2 -Federung; (E) basierend auf Zirkonia weiß - 1 - und Zirkonia schwarz - 1 -Federung; (F) basierend auf Zirkonia weiß - 2- und Zirkonia schwarz - 2 - Suspension - Rahmen-artige Struktur und (G) Ring-Struktur.
Abbildung 5: FESEM Bilder. FESEM-Bilder des Querschnitts an Schnittstelle zwischen gesinterten Zirkonia weiß - 1 (oben) und Zirkonia schwarz - 1 (unten); Planare Oberfläche (A) und (B) miteinander verwoben-Schnittstelle
Abbildung 6: Ergebnisse der EDX-Messungen bei gesinterten Zirkonia weiß - 1 / Zirkonia schwarz - 1 -Schnittstelle. (A) Überblick über Messfelder 1 + 2 und (D) 3-5; Ergebnisse der Messung (B) Feld 1, (C) Feld 2, Feld (E) 3, (F) Feld 4 und (G) , Feld 5.
Abbildung 7: Massenänderung Zirkonia weiß - 1 - und Zirkonia schwarz - 1 -Suspensionen bei der thermischen Zersetzung Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Tabelle 1: dynamische Viskosität von thermoplastischen Suspensionen auf Basis der Zirkonia Pulver Zirkonia weiß - 1 und Zirkonia schwarz - 1. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterladen.
Tabelle 2: dynamische Viskosität von thermoplastischen Suspensionen auf Basis der Zirkonia Pulver Zirkonia weiß - 2 und Zirkonia schwarz - 2. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterladen.
Tabelle 3: dynamische Viskosität von allen vier Aufhängungen während der langfristigen Messung bei einer konstanten Scherrate von 10/s. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterladen.
Discussion
Die Charakterisierung des rheologischen Verhaltens der flüssige Suspension bei hohen Scherraten bis zu 5000/s ist notwendig, da die Beurteilung der Voraussetzungen innerhalb der verwendeten Micro Spendersysteme (Geometrie der Kolben und Düse Kammer, Geschwindigkeit des Kolbens) ergab, dass Scherraten von 5000/s und höher in der Micro Dosiersystem während der Abscheidung Prozess25generiert werden.
Die Untersuchung der Druckparameter sollte getan werden, um mit der Kalibrierung des Dispensers für die Herstellung von Multi-material-Komponenten unterstützen. Der Einfluss der Dispenser-Parameter auf die Eigenschaften der Materialien ist in25diskutiert worden. Parameter Wert Grenzen wurden empirisch nur Abschreckung. Bisherige zeigt Erfahrung, dass die Varianz in Tropfen Kette Höhe und Breite 3 % nicht überschreiten sollte. Durchmesser Unterschiede bis zu 100 µm und Höhenunterschiede bis zu 50 Mikrometer durch die Parameter Impulsbreite, Tröpfchen Fusion Faktor (DFF) und Extrusion Breite (schneiden Parameter) kompensiert werden können.
Es ist von entscheidender Bedeutung für den Druck, dass die Schicht Höhen der verschiedenen Materialien aufeinander abgestimmt sind durch Veränderung des Abstandes zwischen den einzelnen Tröpfchen, da es in einem Unebenheiten innerhalb einer Schicht ergeben würde, wenn die Höhen der verschiedenen Materialien tun stimmen nicht überein. Eine Unebenheit führt zu große Mängel und defekte Bauteile. Durch Verringerung des Abstandes zwischen zwei Tropfen und die damit verbundenen größere Überlappung, die Breite und Höhe der Tropfen Kette steigt durch die nahezu konstantem Volumen der einzelnen Tröpfchen. Es ist festzustellen, dass die Tropfen Kette breite schneller als die Tropfen Kette Höhe erhöht. Es ist nicht notwendig und wahrscheinlich nicht möglich, perfekt geformte Hemisphären als einzelne Tröpfchen zu realisieren, aber Sie haben, vergewissern Sie sich durch die Bestimmung der Armatur Verzicht auf Parameter, dass die Homogenität der Tropfenbildung sehr hoch ist, um eine homogene garantieren Aufbau der Komponenten.
Die Messung bei 85 ° C simuliert das rheologische Verhalten von Suspensionen in der Fütterung Patrone des Mikro Dosiersystems. Über 90 ° C beginnt die Zersetzung der Bindemittelkomponenten (Abbildung 7). Alle Suspensionen zeigen fast ähnliches Verhalten. Die verwendete Düsentemperatur des Mikro Dosiersystems war 100 ° C. Diese Temperatur fördert die Tropfenbildung aufgrund der niedrigen Viskosität verursacht durch Temperaturerhöhung beim Durchgang der Düsenkanals Suspensionen. Wegen der kurzen Verweilzeit der Suspensionen innerhalb der Düse bei dieser Temperatur ist die Zersetzung nicht das Materialverhalten wesentlich beeinflussen.
Die Multi-Color-Komponenten könnten gesintert werden, fast fehlerfrei, aber für die Zirkonia schwarz - 2 und Zirkonia weiß - 2 Pulver rosa die Farbe der weißen Phase umgewandelt. Die Ursache für den Farbwechsel sind Diffusionsvorgänge zwischen den verschiedenen Materialien beim Sintern. Dies ist nur ein Effekt an der Oberfläche und kann durch einen Schliff entfernt werden. Aber dies ist eine große Herausforderung für komplexe Strukturen von AM Technologien gemacht.
Innerhalb der Multi-Color-Komponenten planar und verwobenen Grenze Schnittstellen zwischen zwei verschiedenen Kompositionen entwickelt. So kann unabhängig von der Drop-gebundenen Ablagerung des Materials, die Anordnung der verschiedenen Mikrostrukturen sehr präzise realisiert werden. Darüber hinaus kann die Tropfenform ausgenutzt werden, um die Grenze Schnittstelle zwischen zwei Materialien zu erhöhen. Bisher wurden nur diskrete Materialübergängen produziert. Zukünftige Forschung kann auch die Produktion von allmählichen Veränderungen zwischen Materialien beinhalten.
Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Dieses Projekt wird finanziell von der Europäischen Union Horizont 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm unter Grant Agreement No 678503.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Material | |||
| Zirconia black - 1 | TZ-3Y-Black | Tosoh | |
| Zirconia black - 2 | ZirPro ColorYZ Black | Saint Gobain | |
| Zirconia white - 1 | TZ-3Y-Black | Tosoh | |
| Zirconia white - 2 | ZirPro ColorYZ Arctic White | Saint Gobain | |
| Equipment | |||
| laser diffractometer | Mastersizer 2000 | Malvern Instruments Ltd., United Kingdom | |
| dissolver | DISPERMAT CA 20-C | VMA-Getzmann GmbH, Germany | |
| rheometer | Modular Compact Rheometer MCR 302 | Anton Paar, Graz, Austria | |
| micro dispensing system | MDS 3250 | Vermes, Germany | |
| T3DP-device | IKTS-T3DP-device "TRUDE", in-house development | Fraunhofer IKTS, not commerzialized | |
| profile scanner | LJ-V7020 | Keyence | |
| Slicer 1 | Slic3r | open source software | |
| Slicer 2 | Simplify3D | Simplofy3D | |
| debinding furnace | NA120/45 | Nabertherm, Germany | |
| sintering furnace | LH 15/12 | Nabertherm, Germany | |
| FESEM | Gemini 982 | Zeiss, Germany |
References
- Kieback, B., Neubrand, A., Riedel, H. Processing techniques for functionally graded materials. Materials Science and Engineering - A. 362 (1-2), 81-106 (2003).
- Mortensen, A., Suresh, S. Functionally graded metals and metal-ceramic composites: Part 1 Processing. International Materials Reviews. 40 (6), 239-265 (1995).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Homa, J. Rapid Prototyping of high-performance ceramics opens new opportunities for the CIM industry. Powder Injection Moulding International. 6 (3), 65-68 (2012).
- Chartier, T., Badev, A. Rapid Prototyping of Ceramics. Handbook of Advanced Ceramics Elsevier. , Oxford, UK. (2013).
- Travitzky, N., et al. Additive Manufacturing of ceramic-based materials. Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
