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Engineering

बहु-सामग्री सिरेमिक आधारित घटक – थर्माप्लास्टिक 3d मुद्रण द्वारा काले और सफेद Zirconia घटकों के Additive विनिर्माण (CerAM-T3DP)

Published: January 7, 2019 doi: 10.3791/57538
Automatic Translation
1, 1, 2, 1, 1, 1, 1
1Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS, 2Fraunhofer Singapore

Summary

यहां हम थर्माप्लास्टिक 3d प्रिंटिंग (CerAM-T3DP) और सह-sintering दोष-मुक्त करके काले और सफेद zirconia घटकों को additive के निर्माण के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन करते हैं ।

Abstract

के लिए Additive विनिर्माण के लाभों का मिश्रण (हूं) कार्यात्मक वर्गीकृत सामग्री के लाभों के साथ () सिरेमिक आधारित 4d अवयव (तीन आयामों के लिए ज्यामिति और प्रत्येक स्थिति में सामग्री संपत्तियों के विषय में स्वतंत्रता के एक डिग्री) थर्माप्लास्टिक 3डी प्रिंटिंग (CerAM-T3DP) विकसित की गई । यह एक सीधा हूं प्रौद्योगिकी जो बहु सामग्री घटकों के am की अनुमति देता है । इस प्रौद्योगिकी के लाभों को प्रदर्शित करने के लिए काले और सफेद zirconia घटकों के additives निर्मित और सह sintered दोष मुक्त थे ।

विभिन्न थर्माप्लास्टिक के सस्पेंशन को तैयार करने के लिए ब्लैक एंड वाइट zirconia पाउडर की दो अलग जोड़ियों का इस्तेमाल किया गया । उचित वितरण मानकों एकल सामग्री परीक्षण घटकों का निर्माण और बहु रंग zirconia घटकों के additive विनिर्माण के लिए समायोजित करने के लिए जांच की गई ।

Introduction

कार्यात्मक वर्गीकृत सामग्री (खात्मा) microstructure में या सामग्री1में संक्रमण के विषय में गुणों की एक किस्म के साथ सामग्री रहे हैं । ये संक्रमण असतत या निरंतर हो सकता है । विभिन्न प्रकार के खात्मा के लिए जाना जाता है, जैसे सामग्री ढाल के साथ अवयव, वर्गीकृत porosity और साथ ही बहु-रंग के अवयव ।

खात्मा-अवयव एकल पारंपरिक आकार देने प्रौद्योगिकियों द्वारा निर्मित किया जा सकता है2,3,4,5,6,7 या इन प्रौद्योगिकियों के संयोजन के द्वारा, के लिए उदाहरण के लिए, में-मोल्ड लेबलिंग टेप कास्टिंग और इंजेक्शन मोल्डिंग8,9का एक संयोजन के रूप में ।

Additive विनिर्माण (AM) डिजाइन के एक अब तक अभूतपूर्व स्वतंत्रता के साथ घटकों के उत्पादन के लिए अनुमति देता है । यह बहुलक और धातुओं के लिए प्रौद्योगिकी को आकार देने कला का राज्य माना जाता है । पहली चीनी मिट्टी की चीज़ें के प्रसंस्करण के लिए व्यावसायिक प्रक्रियाओं10उपलब्ध हैं, और लगभग सभी ज्ञात हूं प्रौद्योगिकियों प्रयोगशालाओं में चीनी मिट्टी की चीज़ें के लिए उपयोग किया जाता है दुनिया भर में11,12,13।

के लाभों के साथ हूं गठबंधन के लाभ के लिए सिरेमिक आधारित 4d घटक (ज्यामिति के लिए तीन आयामों और प्रत्येक स्थिति में सामग्री संपत्तियों के विषय में स्वतंत्रता के एक डिग्री) थर्माप्लास्टिक 3d मुद्रण (CerAM-T3DP) पर विकसित किया गया है Fraunhofer IKTS ड्रेसडेन, जर्मनी में, के रूप में एक प्रत्यक्ष प्रौद्योगिकी हूं । यह बहु सामग्री के घटक14,15,16,17के एएम की अनुमति देता है । CerAM-T3DP कण भरा थर्माप्लास्टिक सस्पेंशन की एकल बूंदों के चयनात्मक जमाव पर आधारित है । एकाधिक खुराक प्रणालियों का उपयोग करके, अलग थर्माप्लास्टिक सस्पेंशन परत द्वारा एक दूसरे परत के बगल में जमा किया जा सकता है थोक सामग्री के रूप में के रूप में अच्छी तरह से निर्मित हरी घटक के भीतर संपत्ति ढाल18उत्पादन । के विपरीत अप्रत्यक्ष प्रक्रियाओं, जिसमें पहले जमा सामग्री पूरी परत पर चुनिंदा जमना, CerAM-T3DP प्रक्रिया किसी भी गैर को हटाने के अतिरिक्त प्रयास की आवश्यकता नहीं है, अगले सामग्री के जमाव से पहले जम सामग्री, यह बहु सामग्री घटकों के एएम के लिए और अधिक उपयुक्त बनाना ।

यद्यपि CerAM-T3DP प्रक्रिया का उपयोग कर रहा हूं की अनुमति देता है का खात्मा और अभूतपूर्व गुणों के साथ सिरेमिक आधारित घटकों के बोध, वहां के लिए कर रहा हूं प्रक्रिया के बाद आवश्यक थर्मल उपचार के बारे में काबू पाने के लिए चुनौतियां हैं, में आदेश प्राप्त करने के लिए एक बहु सामग्री समग्र । विशेष रूप से, मिश्रित सामग्री में युग्मित चूर्ण को सफलतापूर्वक सह-sintered की आवश्यकता होती है, जिसके लिए घटकों का sintering समान तापमान और वायुमंडल में किया जाना है । इसलिए, यह सभी सामग्री के लिए एक शर्त के लिए एक तुलनीय sintering तापमान और व्यवहार है (sintering, संकोचन व्यवहार के तापमान शुरू) । आदेश में ठंडा करने के दौरान महत्वपूर्ण यांत्रिक तनाव से बचने के लिए, सभी सामग्रियों के थर्मल विस्तार के गुणांक लगभग11के बराबर हो गया है ।

एक घटक में विभिंन गुणों के साथ सामग्री का संयोजन कई गुना अनुप्रयोगों के लिए अभूतपूर्व गुणों के साथ घटकों के लिए दरवाजे खोलता है । जैसे स्टेनलेस स्टील-zirconia कंपोजिट काटने के उपकरण के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, प्रतिरोधी घटकों, ऊर्जा पहनते हैं, और ईंधन सेल घटकों या द्विध्रुवी शल्य चिकित्सा उपकरण के रूप में19,20,21,22, २३,२४. इस तरह के घटक CerAM द्वारा महसूस किया जासकता है-T3DP14,15,16,17, भी, एक विशेष मिलिंग प्रक्रिया16द्वारा sintering व्यवहार के समायोजन के बाद.

घने और छिद्रित zirconia जैसे वर्गीकृत porosity के साथ सिरेमिक-आधारित खात्मा असुरक्षित क्षेत्रों की उच्च सक्रिय सतह वाले घने क्षेत्रों में बहुत अच्छा यांत्रिक गुणों को संयोजित करता है । इस तरह के घटकों के additives द्वारा निर्मित किया जा सकता है CerAM-T3DP18।

इस पत्र में, हम CerAM-T3DP द्वारा एक घटक में दो अलग रंग के साथ zirconia घटकों के एएम की जांच । हम सफेद और काले zirconia चुना है क्योंकि एक चीनी मिट्टी के घटक में इस संयोजन गहने अनुप्रयोगों के लिए दिलचस्प है । व्यक्तिगत लक्जरी वस्तुओं की मांग बहुत अधिक है और अभी भी बढ़ रहा है । प्रौद्योगिकियों जो एक उच्च संकल्प और बहुत अच्छा सतह संपत्तियों के साथ सिरेमिक आधारित बहु सामग्री घटकों के AM की अनुमति के लिए इस मांग को संतुष्ट करने की अनुमति होगी । zirconia की तरह चीनी मिट्टी की चीज़ें उदाहरण के लिए उपयोग कर रहे है देखने के मामलों और bezels या क्योंकि विशेष haptics, नज़र, कठोरता और कम वजन धातुओं की तुलना में के छल्ले के लिए घड़ी की तरह घटकों का उत्पादन ।

Protocol

1. CerAM-T3DP के लिए थर्माप्लास्टिक सस्पेंशन

  1. पाउडर का चयन
    1. ब्लैक थर्माप्लास्टिक सस्पेंशन की तैयारी के लिए ब्लैक zirconia पावडर zirconia ब्लैक-1 और zirconia ब्लैक-2 का इस्तेमाल करें ।
    2. व्हाइट थर्माप्लास्टिक सस्पेंशन की तैयारी के लिए zirconia वाइट-1 और zirconia वाइट-2का प्रयोग करें ।
      नोट: zirconia काले-2 के निर्माता zirconia के रंग के लिए pigments (४.२ wt.-%) का उपयोग करता है और यह भी कहा गया है कि दोनों पाउडर एक ही sintering व्यवहार है । साथ ही, एल्यूमिना का उच्च प्रतिशत (२०.४३ wt.-%) zirconia white-2 के सफ़ेद रंग में योगदान देता है । पाउडर zirconia काले-1 और zirconia सफेद-1 एक अलग संरचना है और इस तरह पूरा सघनीकरण के लिए एक अलग sintering तापमान की आवश्यकता है । zirconia सफेद-1, zirconia काले-1 के विपरीत सबसे अधिक 5 wt.-% pigments पर होते हैं । अनुशंसित sintering तापमान zirconia काले-1 के लिए १४०० ° c और १३५० ° c zirconia white-1के लिए हैं ।
  2. आकार, सतह क्षेत्र और कण आकार वितरण के बारे में पाउडर की विशेषताएं ।
    नोट: इलेक्ट्रॉन स्कैनिंग माइक्रोस्कोपी छवियों के कणों के आकार को चिह्नित करने के लिए इस्तेमाल किया गया है. इस्तेमाल किया पाउडर के कण आकार वितरण एक लेजर विवर्तन विधि (लेजर डिफफ्रक्टोमीटर) द्वारा मापा गया था । प्रयुक्त चूर्ण के विशिष्ट सतह गुणों के लिए माप को निर्माण द्वारा प्रदान किया गया है ।
  3. अलग zirconia निलंबन की तैयारी के लिए एक गर्म और homogenize बहुलक मिश्रण में १०० डिग्री सेल्सियस के तापमान पर तेल और मोम का एक मिश्रण पिघला ।
    1. फिर ४० vol.% की एक पाउडर सामग्री तक पहुंचने के लिए कई चरणों में पाउडर जोड़ें ।
    2. १०० डिग्री सेल्सियस पर 2 एच के लिए सरगर्मी से पाउडर-बहुलक-मिश्रण Homogenize । सुनिश्चित करें कि सभी निलंबन समान पाउडर सामग्री (४० vol.%) ।
  4. निलंबन के लक्षण वर्णन
    1. ८५ ° c और ११० ° c के बीच एक श्रेणी में अलग तापमान के लिए 0-5000/s के बीच एक श्रेणी में कतरनी दरों के लिए एक rheometer का उपयोग कर पिघला हुआ निलंबन के rheological व्यवहार की विशेषता है ।
      नोट: हम एक प्लेट/प्लेट मापने प्रणाली (25 मिमी व्यास) के साथ-25 डिग्री सेल्सियस से २०० ° c के बीच एक rheometer समायोज्य इस्तेमाल किया । टोक़ मापा गया था, और गतिशील चिपचिपापन गणना की गई थी ।
    2. कतरनी दर के समारोह के रूप में गतिशील चिपचिपापन प्लॉट और सुनिश्चित करें कि गतिशील चिपचिपापन नीचे है १०० Pa · s एक कतरनी दर के लिए 10/नीचे 20 pa · s के एक कतरनी दर के लिए 100/s और नीचे 1 pa · s के एक कतरनी दर के लिए 5000/s या वृद्धि स्वीकार्य सीमा के भीतर तापमान ।
    3. अगर गतिशील चिपचिपापन भी ११० डिग्री सेल्सियस के तापमान के लिए बहुत अधिक है, तो बहुलक मिश्रण जोड़कर निलंबन संरचना बदलें ।

2. CerAM-T3DP द्वारा एकल और बहु-सामग्री घटकों का विनिर्माण

  1. प्रयुक्त डिवाइस
    चित्रा 1 एक प्रोफ़ाइल स्कैनर और तीन अलग सूक्ष्म वितरण प्रणालीहै, जो एक साथ या एकांतर से काम कर सकते हैं के साथ इस्तेमाल किया CerAM- T3DP-डिवाइस के एक सीएडी ड्राइंग से पता चलता है. उनमें से दो का उपयोग करने के लिए काले और सफेद घटकों का उत्पादन ।
    1. एक अधिकतम वेग के साथ स्थानांतरित करने के लिए 100/s और अक्षों के लिए एक आवृत्ति के लिए बूंदों का जमाव सेट 20 mm/
  2. जमाव मापदंडों की जांच
    जमाव मापदंडों के प्रभाव की जांच (माइक्रो औषधालय प्रणाली के कार्य वेग; निलंबन जलाशय और नोजल के तापमान; वेग के गुणों पर) परिणामी बूंदों (आकार; मात्रा; एकरूपता) या छोटी बूंद जंजीरों (आकार; मात्रा; एकरूपता) ।
    1. जमाव मानकों में भिंनता है और जमाव के लिए अलग आवृत्तियों और अक्ष वेग का उपयोग करके एकल बूंदों के साथ ही छोटी बूंद श्रृंखला जमा ।
      नोट: सामग्री के गुणों पर मशीन मापदंडों का प्रभाव25से पहले चर्चा की गई है । पैरामीटर मान सीमाएं केवल empirically निर्धारित किया गया है ।
    2. सुनिश्चित करें कि छोटी बूंद श्रृंखला ऊंचाई और चौड़ाई में विचरण 3% से अधिक नहीं होना चाहिए । मानकों पल्स चौड़ाई, छोटी बूंद फ्यूजन फैक्टर (DFF) और बाहर निकालना चौड़ाई (टुकड़ा करने की क्रिया पैरामीटर) के लिए व्यास मतभेदों को क्षतिपूर्ति करने के लिए १०० माइक्रोन और ऊंचाई मतभेदों को ५० माइक्रोन तक बदलती हैं ।
      नोट: यह आवश्यक नहीं है और शायद एक बूंदों के रूप में पूरी तरह से आकार गोलार्द्धों का एहसास संभव नहीं है, लेकिन आप सुनिश्चित करें कि छोटी बूंद गठन की एकरूपता घटकों के एक समरूप इमारत की गारंटी के लिए बहुत अधिक है बनाने के लिए है ।
    3. अलग प्रारंभिक मापदंडों के साथ इस कदम दोहराएं व्यास, चौड़ाई और ऊंचाई के संबंध में सबसे समरूप छोटी बूंद आकार प्रदान करता है जो एक पैरामीटर सेट खोजने के लिए ।
  3. एकल-सामग्री परीक्षण घटकों का निर्माण
    1. वांछित भाग के एक उत्पंन 3 डी मॉडल का प्रयोग करें और STL या AMF फ़ाइल स्वरूप के रूप में फ़ाइल को बचाने के ।
    2. संबंधित g-कोड उत्पंन करने के लिए एक टुकड़ा करने योग्य प्रोग्राम (जैसे स्लाइसर 1 या स्लाइसर 2) का उपयोग करें । चरण २.२ में अधिग्रहीत छोटी बूंद आकार के लिए गुण सेट करें ।
    3. G-code अपलोड करें और प्रक्रिया पैरामीटर्स को CerAM-T3DP-डिवाइस पर भरें । CerAM-T3DP-डिवाइस सेट करने के लिए स्लाइसर को प्रदान की गई छोटी बूंद आकृति के संगत चरण २.२ में प्राप्त पैरामीटर्स के लिए । निर्माण कार्य प्रारंभ करने के लिए डिवाइस सॉफ़्टवेयर प्रारंभ करें ।
      नोट: यह वांछित हिस्सा बनाने या नए निलंबन का उपयोग करने से पहले कुछ परीक्षण नमूनों का निर्माण करने के लिए फायदेमंद है.
  4. बहु-सामग्री घटकों के CerAM-T3DP
    1. प्रत्येक शामिल सामग्री के लिए कदम २.२ निष्पादित ।
    2. दोनों सामग्री है जो लगभग एक ही छोटी बूंद विशेषताओं के लिए पैरामीटर वितरण का चयन करें ।
    3. एक बूंदों और परिणामस्वरूप ओवरलैप के बीच की दूरी बदलकर परत ऊंचाइयों को समायोजित करने के लिए विभिंन सामग्रियों, जो बड़े दोषों और दोषपूर्ण घटकों में परिणाम कर सकते है के लिए ऊंचाइयों में अंतर से बचने के लिए ।
      नोट: दो बूंदों और जुड़े अधिक से अधिक ओवरलैप के बीच की दूरी को कम करके, चौड़ाई और छोटी बूंद श्रृंखला की ऊंचाई एकल बूंदों के लगभग लगातार मात्रा के कारण बढ़ जाती है । यह देखा जा सकता है कि छोटी बूंद श्रृंखला चौड़ाई छोटी बूंद श्रृंखला ऊंचाई की तुलना में तेजी से बढ़ जाती है ।
    4. वांछित भाग के एक जनरेटेड 3d मॉडल का उपयोग करें और फ़ाइल को AMF फ़ाइलों के रूप में सहेजें । यदि स्लाइसर द्वारा समर्थित एकाधिक घटक क्षेत्रों को भी STL फ़ाइल स्वरूप में सहेजा जा सकता है ।
    5. आदेश में बहु सामग्री घटकों को मुद्रित करने के लिए, प्रत्येक सामग्री के लिए एक इसी सूक्ष्म वितरण प्रणाली आवंटित द्वारा टुकड़ा करने की क्रिया सॉफ्टवेयर में संबंधित सामग्री के लिए इसी घटक क्षेत्रों आवंटित ।
    6. स्लाइसर सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके प्रत्येक सामग्री के लिए G-कोड्स जनरेट करें ।
    7. G-code अपलोड करें और प्रक्रिया पैरामीटर्स को CerAM-T3DP-डिवाइस पर भरें । CerAM-T3DP-डिवाइस सेट करने के लिए स्लाइसर को प्रदान की गई छोटी बूंद आकृति के संगत चरण २.२ में प्राप्त पैरामीटर्स के लिए । निर्माण कार्य प्रारंभ करने के लिए डिवाइस सॉफ़्टवेयर प्रारंभ करें ।

3. एकल और बहु-सामग्री घटकों के सह-Sintering और सह-

  1. निम्न पृथक चरणों में हरे नमूने को बाइंड करें ।
    1. सबसे पहले, मोटे सुक्ष्म एल्यूमिना पाउडर (पाउडर बिस्तर) के नमूने को संरचनात्मक रूप से समर्थन करने के लिए और साथ ही एक सजातीय तापमान वितरण सुनिश्चित करने के लिए और केशिका ताकतों द्वारा बांधने की सामग्री को हटाने को बढ़ावा देने के लिए नमूनों का एक ढीला थोक में डाल दिया ।
    2. २७० डिग्री सेल्सियस तक हवा वातावरण के तहत एक भट्ठी (बाध्यकारी भट्ठी) में एक बहुत कम हीटिंग दर के साथ एक बाध्यकारी प्रदर्शन करते हैं । एक दोष मुक्त बाध्यकारी सुनिश्चित करने के लिए हीटिंग दर 4 K/
  2. के बाद यह पहली बाध्यकारी कदम ध्यान से एक ठीक ब्रश के साथ उदाहरण के लिए बिस्तर पाउडर हटा दें । नमूनों को एल्यूमिना भट्ठा फर्नीचर पर लगाएं ।
  3. एक ही भट्ठी में ९०० ° c (12 K/h) तक वायु-वायुमंडल के अंतर्गत दूसरा बाध्यकारी चरण लागू करें ।
    नोट: सभी शेष कार्बनिक बांधने की मशीन सामग्री थर्मल हटा दिया गया है, जबकि एक ही कदम के भीतर एक पूर्व zirconia कणों के sintering एक sintering भट्ठा के लिए नमूनों के बाद हस्तांतरण सक्षम करने के लिए शुरू किया गया था ।
  4. अंत में एक उपयुक्त भट्ठी (sintering फर्नेस) में 2 ज के लिए १,३५० डिग्री सेल्सियस (१८० K/एच) पर हवा वातावरण के तहत नमूने सिंटर । तीन आयामों में लंबाई माप द्वारा घटकों के संकोचन की विशेषता है और यह प्रत्येक दिशा के लिए 20% के बारे में है कि सुनिश्चित करें ।

4. एकल और बहु सामग्री घटकों का लक्षण वर्णन

  1. नमूनों को ठीक से काटें और ceramographic तरीकों का उपयोग करके सतह को पॉलिश करें ।
  2. फील्ड उत्सर्जन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (FESEM) का उपयोग करके microstructure पर जांच लागू करें ।
  3. नेत्रहीन दो चरणों के porosity का निरीक्षण किया और प्रयुक्त सामग्री की सीमा इंटरफेस पर । एक अधिक विस्तृत परिणाम प्राप्त करने के लिए एक अंतरफलक विश्लेषण प्रदर्शन, FESEM और बाद में चित्र विश्लेषण के द्वारा उदाहरण के लिए sintered microstructure के भीतर porosity की जांच ।
    लक्षित porosity 1% से नीचे है । यदि porosity बहुत अधिक है, जमाव पैरामीटर बढ़ती (२.२) और/या थर्मल उपचार के शासन (3) बदलती हैं ।

Representative Results

मापा घटकों के उत्पादन के लिए, केवल एक ही निर्माता के पाउडर प्रत्येक बहु-सामग्री घटक के लिए संयुक्त किया गया है । एक घटक में विभिंन विनिर्माण के चूर्ण के साथ प्रयोग अभी भी चल रहे हैं । इस प्रयोजन के लिए, अलग हटना दरों पर विचार किया जाना है ।

फैलाव के बाद zirconia सफेद-1 के औसत कण व्यास (d50) का मापन परिणाम ०.३७ µm था. निर्माता ०.०४ µm (परिमाण कम के एक आदेश) के एक वास्तविक कण आकार राज्यों । zirconia black-1 का औसत कण आकार (d50) ०.५ µm है । चित्रा 2 (क) zirconia सफेद-1 और चित्रा 2 के FESEM विश्लेषण से पता चलता है ( ख) विस्तार में एक दानेदार की सतह की एक FESEM-छवि। चित्रा 2 (ग) और चित्रा 2 (D) zirconia काले-1के लिए एक ही दिखाओ । दोनों अनुपचारित पाउडर बड़े गोलाकार granules (१०० µm तक व्यास) जो सूखी दबाने कच्चे माल के लिए विशिष्ट है से मिलकर बनता है । FESEM-दानेदार सतहों की छवियां zirconia सफेद-1 (चित्रा 2 (ख)) और zirconia काले-1 (चित्रा 2 ( घ)) के प्राथमिक कणों लगभग ०.०४ µ के एक वास्तविक कण आकार के साथ दिखा एम.

चित्रा 2 (ई) – 2 (एच) zirconia व्हाइट-2 और zirconia काले-2की FESEM-छवियां दिखाते हैं । मापा औसत कण आकार (d50) zirconia चूर्ण zirconia सफेद-2 और zirconia काले-2 ०.२७ µm और ०.२५ µm, क्रमशः, कणों १०० µm (चित्रा 2 तक व्यास के साथ गोलाकार granules के रूप में उपस्थित हैं जिसमें (ङ) और चित्रा 2 (छ)) । सफेद पाउडर प्राथमिक कणों का आकार ०.१ µm (चित्रा 2 (एफ)) के नीचे है । ब्लैक पाउडर प्राथमिक कणों व्यास में ०.५ µm करने के लिए कर रहे हैं (चित्रा 2 (एच)).

चित्रा 3 (एक) कतरनी दर के एक समारोह के रूप में और तापमान (८५ डिग्री सेल्सियस और १०० डिग्री सेल्सियस) की निर्भरता में zirconia सफेद-1 और zirconia काले-1 के आधार पर निलंबन के गतिशील चिपचिपापन से पता चलता है । दोनों निलंबन तापमान की परवाह किए बिना एक कतरनी thinning व्यवहार दिखाते हैं ।

तालिका 1 विभिंन कतरनी दरों पर और विभिंन तापमानों के लिए निलंबन के मापा viscosities संक्षेप ।

चित्रा 3 (ख) zirconia white-2 और zirconia ब्लैक-2 (८५ ° c और १०० ° c) के आधार पर निलंबन के rheological व्यवहार को दर्शाता है । सभी रेखांकन एक कतरनी thinning व्यवहार दिखाते हैं । 2 टेबल अलग कतरनी दरों पर और विभिंन तापमान के लिए निलंबन के मापा viscosities संक्षेप ।

कतरनी दर नियंत्रित माप के अलावा, दीर्घकालिक माप बाहर किए गए थे । चित्रा 3 (ग) पर 2 एच 10 के एक निरंतर कतरनी दर पर सभी चार निलंबन के लिए दीर्घकालिक माप के दौरान गतिशील चिपचिपापन के पाठ्यक्रम से पता चलता है/ जबकि व्हाइट zirconia सस्पेंशन (zirconia white-1 और zirconia white-2) के गतिशील चिपचिपापन लगभग स्थिर (तालिका 3) है, गतिशील चिपचिपापन काले zirconia के थोड़ा कम करने के लिए जाता है (zirconia काले-1 और zirconia काले-2) ।

खुराक पैरामीटर एक घटक के निर्माण के अनुभवजंय निर्धारण के बाद, तीन आयामी संरचनाओं प्रत्येक निलंबन के लिए प्रबंधनीय बन गया. चित्र 4 (a) zirconia white-1 और CerAM-T3DP द्वारा निर्मित किए गए निलंबन के आधार पर एक जटिल sintered परीक्षण संरचना दिखाता है । एक ही परीक्षण संरचना additives द्वारा निर्मित CerAM-T3DP और zirconia black-1-निलंबन चित्रा 4 (ख)में दिखाया गया है ।

चित्र 4 (ग) zirconia ब्लैक-2के आधार पर zirconia व्हाइट-2, चित्रा 4 (D) एक sintered परीक्षण संरचना के zirconia निलंबन के आधार पर एक sintered परीक्षण संरचना दिखाता है । एकल रंग घटकों के निर्माण के बाद बहु रंग घटकों के निर्माण के लिए जगह ले ली । चित्रा 4 (घ) से 4 (च) कुछ sintered बहु रंग zirconia अवयव additive विनिर्माण CerAM-T3DP का उपयोग कर दिखाते हैं ।

चित्रा 5 (क) और चित्रा 5 (ख) zirconia चूर्ण के आधार पर दो निलंबन के बीच एक स्पष्ट रूप से अलग अंतरफलक के साथ बहु रंग घटकों के microstructure की FESEM-छवियों को दिखाने zirconia सफेद-1 (ऊपर) और zirconia काले-1 (नीचे) ।

एक ऊर्जा फैलाने वाले एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी विश्लेषण (EDX) से पता चला कि sintered zirconia के microstructure में काले-1 अधिक एल्यूमिना पपड़ी होती है (आंकड़े 6 (A-C)) । और zirconia काले-1-microstructure की संरचना का मूल्यांकन करने के लिए विशेष रूप से अधिक विस्तार में अंधेरे क्षेत्रों में आगे EDX जांच हुई (आंकड़े 6 (डी जी)) जो एल्यूमिना के वर्षण दिखाया (चित्रा 6 (ई) ).

Figure 1
चित्रा 1: सीएडी-प्रयुक्त CerAM की ड्राइंग- T3DP-तीन सूक्ष्म वितरण इकाइयों और एक सतह स्कैनर के साथ युक्ति । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र 2: FESEM-प्रयुक्त zirconia दानेदार की छवि । (क) zirconia सफेद-1 दानेदार-अवलोकन और (ख) सतह; (ग) zirconia काले-1 दानेदार-अवलोकन और (D) सतह; (ङ) zirconia सफेद-2 दानेदार-अवलोकन और (च) सतह; (छ) zirconia काले-2 दानेदार-अवलोकन और (एच) सतह ।

Figure 3
चित्रा 3: थर्माप्लास्टिक निलंबन के Rheological व्यवहार । (क) zirconia चूर्ण पर आधारित zirconia सफेद-1 और zirconia काले-1; (ख) zirconia चूर्ण पर आधारित zirconia सफेद-2 और zirconia काले-2; (ग) 10/एस के एक निरंतर कतरनी दर पर एक दीर्घकालिक माप के दौरान सभी चार निलंबन की तुलना ।

Figure 4
चित्रा 4: Sintered एकल और बहु-सामग्री परीक्षण संरचनाओं additives द्वारा निर्मित T3DP । (A) zirconia white-1 -निलंबन के आधार पर; (ख) zirconia काले-1 -निलंबन के आधार पर; (ग) zirconia white-2 -निलंबन के आधार पर; (D) zirconia काले-2 -निलंबन के आधार पर; (ङ) zirconia श्वेत-1 -और zirconia काले-1 -निलंबन के आधार पर; (च) zirconia सफेद-2-और zirconia काले-2 -निलंबन-फ्रेम की तरह संरचना और (जी) अंगूठी की तरह संरचना पर आधारित है ।

Figure 5
चित्रा 5: FESEM-छवियां । FESEM-sintered zirconia सफेद-1 (ऊपर) और zirconia काले-1 (नीचे) के बीच इंटरफेस पर क्रॉस सेक्शन की छवियां; (क) planar इंटरफेस और (ख) बुना इंटरफेस

Figure 6
चित्रा 6: sintered zirconia सफेद-1 / zirconia काले-1 -अंतरफलक पर EDX माप के परिणाम । (A) माप फ़ील्ड्स के बारे में ओवरव्यू 1 + 2 और (D) 3-5; मापन (B) फ़ील्ड 1, (C) फ़ील्ड 2, (E) फ़ील्ड 3, (F) फ़ील्ड 4 और (G) फ़ील्ड 5 के परिणाम ।

Figure 7
चित्रा 7: zirconia सफेद के सामूहिक परिवर्तन-1-और zirconia काले-1 -निलंबन के दौरान थर्मल अपघटन कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Table 1
तालिका 1: zirconia चूर्ण zirconia सफेद-1 और zirconia काले-1के आधार पर थर्माप्लास्टिक सस्पेंशन का डायनेमिक चिपचिपापन । कृपया यहां क्लिक करें इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए ।

Table 2
तालिका 2: zirconia चूर्ण zirconia सफेद-2 और zirconia काले-2के आधार पर थर्माप्लास्टिक सस्पेंशन का डायनेमिक चिपचिपापन । कृपया यहां क्लिक करें इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए ।

Table 3
तालिका 3:10/s की एक निरंतर कतरनी दर पर दीर्घकालिक माप के दौरान सभी चार निलंबन के गतिशील चिपचिपापन । कृपया यहां क्लिक करें इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए ।

Discussion

5000/s करने के लिए उच्च कतरनी दरों पर पिघला हुआ निलंबन के rheological व्यवहार के लक्षण वर्णन के बाद से आवश्यक है इस्तेमाल किया सूक्ष्म वितरण प्रणालियों के भीतर शर्तों के मूल्यांकन (पिस्टन और नोजल चैंबर, पिस्टन के वेग की ज्यामिति) पता चला है कि 5000/एस के कतरनी की दर और उच्च जमाव प्रक्रिया25के दौरान सूक्ष्म वितरण प्रणाली में उत्पंन कर रहे हैं ।

मुद्रण मापदंडों की जांच बहु सामग्री घटकों के निर्माण के लिए मशीन के अंशांकन के साथ सहायता करने के लिए किया जाना चाहिए । सामग्री के गुणों पर मशीन मापदंडों के प्रभाव25में चर्चा की गई है । पैरामीटर मान सीमाएं केवल रोक empirically किया गया है । अनुभव अब तक पता चलता है कि छोटी बूंद श्रृंखला ऊंचाई और चौड़ाई में विचरण 3% से अधिक नहीं होना चाहिए । व्यास मतभेद अप करने के लिए १०० माइक्रोन और ऊंचाई मतभेद अप करने के लिए ५० माइक्रोन मापदंडों पल्स चौड़ाई, छोटी बूंद फ्यूजन फैक्टर (DFF) और बाहर निकालना चौड़ाई (टुकड़ा करने की क्रिया पैरामीटर) द्वारा क्षतिपूर्ति किया जा सकता है.

यह मुद्रण प्रक्रिया के लिए महत्वपूर्ण है कि विभिंन सामग्रियों की परत ऊंचाइयों एक दूसरे को समायोजित कर रहे है एक बूंदों के बीच की दूरी बदलकर, क्योंकि यह एक परत के भीतर एक असमानता में परिणाम अगर विभिंन सामग्रियों की ऊंचाई कर रहे है मेल नहीं खाती । एक असमान बड़े दोषों और दोषपूर्ण घटकों की ओर जाता है । दो बूंदों और जुड़े अधिक से अधिक ओवरलैप के बीच की दूरी को कम करके, चौड़ाई और छोटी बूंद श्रृंखला की ऊंचाई एकल बूंदों के लगभग लगातार मात्रा के कारण बढ़ जाती है । यह देखा जा सकता है कि छोटी बूंद श्रृंखला चौड़ाई छोटी बूंद श्रृंखला ऊंचाई की तुलना में तेजी से बढ़ जाती है । यह आवश्यक नहीं है और शायद एक बूंदों के रूप में पूरी तरह से आकार गोलार्द्धों का एहसास करने के लिए संभव नहीं है, लेकिन आप फिटिंग वितरण मापदंडों कि छोटी बूंद गठन की एकरूपता एक समरूप गारंटी के लिए बहुत अधिक है निर्धारित करके सुनिश्चित करना है घटकों का निर्माण ।

माप पर ८५ ° c सूक्ष्म वितरण प्रणाली के खिला कारतूस में निलंबन के rheological व्यवहार simulates । । ९० डिग्री सेल्सियस से ऊपर, बांधने की मशीन घटकों के अपघटन शुरू होता है (चित्रा 7) । सभी निलंबन लगभग समान व्यवहार दिखाते हैं । सूक्ष्म वितरण प्रणाली का इस्तेमाल किया नोक तापमान १०० डिग्री सेल्सियस था । इस तापमान कम हो रही है, जबकि नोजल गुजर रहा है, जबकि सस्पेंशन तापमान में वृद्धि की वजह से चिपचिपाहट की वजह से छोटी बूंद गठन को बढ़ावा देता है । क्योंकि इस तापमान अपघटन पर नोक के भीतर निलंबन की कम समय के आवास के महत्वपूर्ण सामग्री व्यवहार को प्रभावित नहीं है ।

बहु रंग घटक sintered लगभग दोष मुक्त हो सकता है, लेकिन सफेद चरण के रंग गुलाबी में बदल zirconia काले-2 और zirconia सफेद-2 पाउडर के लिए । रंग परिवर्तन के लिए कारण sintering के दौरान विभिंन सामग्रियों के बीच प्रसार की प्रक्रिया कर रहे हैं । यह केवल सतह पर एक प्रभाव है और एक पीस कदम से हटाया जा सकता है । लेकिन यह बहुत जटिल संरचनाओं द्वारा बनाई गई प्रौद्योगिकियों के लिए चुनौतीपूर्ण है ।

बहु रंग घटकों के भीतर planar और दो अलग रचनाओं के बीच विकसित बुना सीमा इंटरफेस । इस प्रकार, सामग्री की बूंद बाध्य जमाव की परवाह किए बिना, अलग microstructures की व्यवस्था बहुत ठीक महसूस किया जा सकता है । इसके अलावा, छोटी बूंद आकार दो सामग्री के बीच सीमा इंटरफेस बढ़ाने के लिए शोषण किया जा सकता है । अब तक केवल असतत सामग्री संक्रमण का उत्पादन किया गया है । भविष्य के अनुसंधान भी सामग्री के बीच क्रमिक परिवर्तन के उत्पादन को शामिल कर सकते हैं ।

Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस परियोजना अनुदान समझौते सं ६७८५०३ के तहत यूरोपीय संघ के क्षितिज २०२० अनुसंधान और नवाचार कार्यक्रम से धन प्राप्त हुआ है ।

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 

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References

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इंजीनियरिंग अंक १४३ Additive विनिर्माण चीनी मिट्टी की चीज़ें बहु सामग्री बहु रंग zirconia थर्माप्लास्टिक 3d मुद्रण (CerAM-T3DP) कार्यात्मक वर्गीकृत सामग्री (खात्मा)
बहु-सामग्री सिरेमिक आधारित घटक – थर्माप्लास्टिक 3d मुद्रण द्वारा काले और सफेद Zirconia घटकों के Additive विनिर्माण (CerAM-T3DP)
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Weingarten, S., Scheithauer, U., Johne, R., Abel, J., Schwarzer, E., Moritz, T., Michaelis, A. Multi-material Ceramic-Based Components – Additive Manufacturing of Black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing (CerAM - T3DP). J. Vis. Exp. (143), e57538, doi:10.3791/57538 (2019).

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