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Componentes múltiples materiales de cerámica – aditivos de fabricación de componentes de Zirconia en blanco y negro por impresión 3D termoplástica (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

Aquí se describe un protocolo para la fabricación aditiva componentes de zirconia en blanco y negro por impresión 3D termoplástica (CerAM - T3DP) y sinterización Co defectos.

Abstract

Combinar los beneficios de la fabricación de aditivo (AM) con los beneficios de funcionalmente clasificado materiales (MGF) para cerámica-componentes basados en 4D (tres dimensiones de la geometría y un grado de libertad con respecto a las propiedades del material en cada posición) la 3D-impresión termoplástica (CerAM - T3DP) fue desarrollada. Es una tecnología directa de AM que permite que la AM de componentes múltiples materiales. Para demostrar las ventajas de este componentes de zirconia en blanco y negro de tecnología aditiva fueron fabricados y co sinterizadas defectos.

Dos pares diferentes de polvos de Circonia y negro se utilizan para preparar diferentes suspensiones termoplásticos. Parámetros adecuados de dosificación fueron investigados para la fabricación de componentes de material solo prueba y ajustados para la fabricación aditiva de componentes de zirconia de varios colores.

Introduction

Funcionalmente los materiales clasificados (MGF) son materiales con una variedad de propiedades con respecto a las transiciones en la microestructura o en el material1. Estas transiciones pueden ser discretas o continuas. Diferentes tipos de MGF se conocen como componentes con gradientes de material, porosidad graduada como componentes varios colores.

La mutilación genital femenina-componentes pueden fabricarse por solo convencional que forma tecnologías2,3,4,5,6,7 o por una combinación de estas tecnologías, para ejemplo de etiquetado en el molde como una combinación de cinta fundición y moldeo a presión de8,9.

Fabricación aditiva (AM) permite la producción de componentes con una libertad sin precedentes hasta el momento del diseño. Esto se considera el estado del arte que forma tecnología de polímeros y metales. Primeros procesos comerciales para el procesamiento de la cerámica están disponibles10, y casi todas las tecnologías conocidas de AM se utilizan para AM de cerámica en laboratorios en todo el mundo11,12,13.

Para combinar los beneficios de la mañana con los beneficios de la MGF para cerámica-componentes basados en 4D (tres dimensiones de la geometría y un grado de libertad con respecto a las propiedades del material en cada posición) la impresión 3D de termoplástica (CerAM - T3DP) se ha desarrollado en Fraunhofer IKTS en Dresden, Alemania, como una tecnología directa de AM. Esto permite que la AM de componentes múltiples materiales14,15,16,17. CerAM - T3DP se basa en la deposición selectiva de solo gotitas de termoplástico suspensiones de partículas llenadas. Mediante la utilización de múltiples sistemas de dosificación, diferentes suspensiones termoplásticos pueden ser depositados al lado de otra capa por capa para producir a granel material así como gradientes de propiedad dentro de la fabricación aditiva componentes verde18. A diferencia del indirectos procesos de AM, en el que previamente depositados materiales solidifican selectivamente sobre toda la capa, CerAM - proceso de T3DP no requiere el esfuerzo adicional de la eliminación de cualquier material no solidificado antes de la deposición del siguiente material, lo que es más adecuado para el AM de componentes múltiples materiales.

Aunque utilizando el CerAM - T3DP proceso permite que la AM de la mutilación genital femenina y la realización de componentes basados en cerámica con las características sin precedentes, hay retos que superar en relación con el tratamiento térmico necesario después del proceso de AM, con el fin de obtener un compuesto de múltiples material. En particular, los polvos emparejados en el material compuesto necesitan conjuntamente con éxito ser sinterizado, para que la sinterización de los componentes debe realizarse a la misma temperatura y la atmósfera. Por lo tanto, es un requisito previo para todos los materiales tienen una temperatura comparable de la sinterización y comportamiento (a partir de la temperatura de sinterización, comportamiento de contracción). Con el fin de evitar esfuerzos mecánicos críticos durante el enfriamiento, el coeficiente de expansión térmica de los materiales debe ser aproximadamente igual11.

La combinación de materiales con diferentes propiedades en un componente abre la puerta a los componentes con propiedades sin precedentes para aplicaciones múltiples. Compuestos de acero inoxidable-zirconia de ejemplo pueden utilizarse como herramientas de corte, componentes resistentes al desgaste, la energía y componentes de la célula de combustible o herramientas quirúrgicas bipolar19,20,21,22, 23,24. Dichos componentes se podrían observar por CerAM - T3DP14,15,16,17, también, después del ajuste del comportamiento sinterización por un proceso de fresado especial16.

La MGF en base de cerámica con una porosidad graduada como zirconia densa y porosa combinan muy buenas propiedades mecánicas en las áreas densas con una alta superficie activa de las áreas porosas. Tales como los componentes pueden fabricarse aditiva por CerAM - T3DP18.

En este trabajo, investigamos el AM de componentes de zirconia con dos colores diferentes en un componente de CerAM - T3DP. Elegimos zirconia blanco y negro porque esta combinación en un componente cerámico es interesante para aplicaciones de joyería. La demanda de bienes de lujo individualizado es muy alto y sigue creciendo. Tecnologías que permiten la AM de componentes múltiples materiales base de cerámica con una alta resolución y muy buenas propiedades de superficie permitirá para satisfacer esta demanda. Cerámica como zirconia se utiliza por ejemplo para ver productos componentes como cajas de relojes y biseles o anillos debido a la especial háptico, mirada, dureza y menor peso en comparación con los metales.

Protocol

1. termoplástico suspensión para CerAM - T3DP

  1. Selección de polvos
    1. Para la preparación de las suspensiones de termoplásticas negro usar zirconia negra polvos zirconia negra - 1 y zirconia negra - 2.
    2. Para la preparación de las suspensiones termoplásticas blanco usar zirconia blanca - 1 y zirconia blanca - 2.
      Nota: El fabricante de zirconia negra - 2 utiliza pigmentos (4,2 wt.-%) para la coloración de la zirconia y también declara que ambos polvos tienen el mismo comportamiento de sinterización. Además, el alto porcentaje de alúmina (20.43 wt.-%) contribuye al color blanco de zirconia blanca - 2. Los polvos zirconia negra - 1 zirconia blanca - 1 tiene una composición diferente y por lo tanto requieren una temperatura de sinterización distinta para la densificación completa. En contraste con zirconia blanca - 1, zirconia negra - 1 consiste en la mayoría de los pigmentos de wt.-% 5. Las temperaturas de sinterización recomendadas son 1400 ° C zirconia negra - 1 y 1350 ° C zirconia blanca - 1.
  2. Caracterizar los polvos con respecto a la forma, superficie y distribución de tamaño de partícula.
    Nota: Digitalización imágenes de microscopía electrónica se han utilizado para caracterizar la forma de las partículas. La distribución de tamaño de partícula de los polvos utilizados fue medida por un método de difracción de láser (difractómetro láser). Las mediciones de las propiedades específicas de la superficie de los polvos usados han sido proporcionadas por el fabricante.
  3. Para la preparación de las suspensiones de zirconia diferentes fundir una mezcla de parafina y cera de abeja a una temperatura de 100 ° C en un calentable disolvente y homogeneizar la mezcla de polímero.
    1. Luego añadir el polvo en varios pasos para llegar a un contenido de polvo de 40 vol.%.
    2. Homogeneizar la mezcla de polímero en polvo removiendo por 2 h a 100 ° C. Asegúrese de que suspensiones todos tienen el mismo contenido de polvo (40 vol.%).
  4. Caracterización de las suspensiones
    1. Caracterizar el comportamiento reológico de la suspensión fundida usando un reómetro para las tarifas del esquileo en un rango entre 0-5.000/s para diferentes temperaturas en un rango entre 85 ° C y 110 ° C.
      Nota: Se utilizó un reómetro ajustable entre-25 ° C a 200 ° C con una placa (25 mm de diámetro) del sistema de medición. El esfuerzo de torsión midió y calculó la viscosidad dinámica.
    2. Parcela la viscosidad dinámica en función de la tarifa del esquileo y asegúrese de que la viscosidad dinámica por debajo de 100 Pa·s para una tasa de corte de 10/s, por debajo de 20 Pa·s para una tasa de corte de 100/s y 1 Pa·s para una tarifa del esquileo de 5.000/s o aumento de la temperatura dentro del rango permitido.
    3. Cambiar la composición de la suspensión mediante la adición de mezcla de polímeros si la viscosidad dinámica es demasiado alta incluso para una temperatura de 110 ° C.

2. fabricación de componentes individuales y múltiples materiales de CerAM - T3DP

  1. Dispositivo utilizado
    La figura 1 muestra un dibujo de CAD de la CerAM usados - dispositivo de T3DP con un escáner de perfil y tres diferentes sistemas de dosificación de micro, que pueden trabajar simultáneamente o alternativamente. Uso dos de ellos para producir componentes en blanco y negro.
    1. Establezca la deposición de las gotas en una frecuencia de hasta 100/s y los ejes con una velocidad máxima de 20 m/s.
  2. Investigación de los parámetros de deposición
    Investigar la influencia de los parámetros de deposición (velocidades de micro dosificación del sistema de las temperaturas de suspensión depósito y boquilla; velocidad del eje de trabajo) en las propiedades de las gotas resultantes (forma, volumen, homogeneidad) o gota cadenas de (forma, volumen, homogeneidad).
    1. Variar los parámetros de deposición y depositar solo gotitas, así como cadenas de gota utilizando diferentes frecuencias y velocidades de los ejes para la deposición.
      Nota: Se ha discutido la influencia de los parámetros del dispensador en las propiedades de los materiales antes del25. Límites de valor de parámetro sólo han sido determinados empíricamente.
    2. Asegúrese de que el que la varianza en gotita cadena de altura y la anchura no debe exceder 3%. Variar el ancho de pulso parámetros, factor de la fusión de gotas (DFF) y diferencias de ancho de extrusión (parámetro de corte) para compensar el diámetro hasta 100 micrones y diferencias de altura de hasta 50 micras.
      Nota: No es necesario y probablemente no es posible realizar hemisferios perfectamente formados como solo gotitas, pero usted tiene que asegurarse de que la homogeneidad de la formación de la gotita es muy alta para garantizar un edificio homogéneo de los componentes.
    3. Repita este paso con diferentes parámetros iniciales para encontrar un conjunto de parámetros que proporciona la forma de gota más homogénea con respecto al diámetro de la gota, la anchura y altura.
  3. Fabricación de componentes de prueba solo material
    1. Utilizar un modelo 3D generado de la parte deseada y guarde el archivo como formato de archivo STL o AMF.
    2. Utilice un programa de corte ( cortadora de 1 o 2 de máquina de cortar) para generar el correspondiente código de G. Establecer las propiedades de la forma de gota, adquirido en el paso 2.2.
    3. Sube el G-code y rellenar los parámetros de proceso para CerAM - dispositivo de T3DP. Ajuste el CerAM - dispositivo de T3DP para los parámetros obtenidos en el paso 2.2 que correspondía a la forma de gota a la máquina de cortar. Inicie el software de dispositivo para iniciar el trabajo de construcción.
      Nota: Es beneficioso para la fabricación de ciertas muestras de ensayo antes de construir la parte deseada o utilizando nuevas suspensiones.
  4. CerAM - T3DP de componentes y materiales
    1. Para cada material implicado ejecutar paso 2.2.
    2. Seleccionar los parámetros de dosificación de ambos materiales que tienen aproximadamente las mismas características de la gota.
    3. Ajustar las alturas de capa al cambiar la distancia entre las gotas individuales y el compromiso resultante para evitar diferencias de alturas para las diferentes materias, que pueden resultar en defectos grandes y componentes defectuosos.
      Nota: Al reducir la distancia entre dos gotitas y la superposición mayor asociada, el ancho y alto de la cadena de la gotita aumenta debido al volumen casi constante de las gotas individuales. Se puede observar que el ancho de la cadena de la gotita aumenta más rápidamente que la altura de la cadena de la gotita.
    4. Utilizar un modelo 3D generado de la parte deseada y guarde el archivo como archivos AMF. Si es compatible con la máquina de cortar de múltiples áreas del componente pueden guardarse en formato de archivo STL.
    5. Para imprimir múltiples materiales componentes, asignar áreas del componente correspondiente al material asociado en el software de corte asignando un correspondiente micro sistema de dosificación de cada material.
    6. Generar los códigos de G para cada material mediante el software de la máquina de cortar.
    7. Sube el G-code y rellenar los parámetros de proceso para CerAM - dispositivo de T3DP. Ajuste el CerAM - dispositivo de T3DP para los parámetros obtenidos en el paso 2.2 que correspondía a la forma de gota a la máquina de cortar. Inicie el software de dispositivo para iniciar el trabajo de construcción.

3. Co-desligado y co de la sinterización de Single y Multi Material componentes

  1. Debind las muestras verdes en los siguientes pasos separados.
    1. En primer lugar, coloque las muestras en un bulto suelto de (cama de polvo): polvo de alúmina de grano grueso para apoyar estructuralmente las muestras, así como asegurar una distribución homogénea de la temperatura y para promover el retiro de los materiales de la carpeta por las fuerzas capilares.
    2. Realizar un desligado con una tasa de muy bajo calentamiento en un horno (desligado de horno) en atmósfera de aire hasta 270 ° C. Establece la velocidad de calentamiento en 4 K/h para un desligado de defectos.
  2. Después de este primer paso debinding quite cuidadosamente el polvo de la ropa de cama por ejemplo con un pincel fino. Coloque las muestras en los muebles del horno de alúmina.
  3. Aplicar un segundo paso debinding en atmósfera de aire a 900 ° C (12 K/h) en el mismo horno.
    Nota: Todos los materiales restantes de aglutinante orgánico térmicamente se eliminaron, mientras que en el mismo paso la sinterización de las partículas de zirconia se inició para permitir al posterior traslado de las muestras en un horno de sinterización.
  4. Sinter finalmente las muestras con atmósfera de aire a 1.350 ° C (180 K/h) durante 2 h en un horno adecuado (horno de sinterización). Caracterizar la contracción de los componentes de medida de longitud en tres dimensiones y asegúrese de que está alrededor del 20% para cada dirección.

4. Caracterización de Material único y múltiples componentes

  1. Cortan las muestras correctamente y pula la superficie utilizando métodos de ceramographic.
  2. Aplique las investigaciones en la microestructura mediante microscopio de emisión de campo (FESEM).
  3. Inspeccione visualmente la porosidad de las dos fases y en el interfaz del límite de los materiales utilizados. Para obtener un resultado más realizar un análisis de la interfaz, por ejemplo, FESEM y cuadro posterior análisis para investigar la porosidad en la microestructura sinterizada.
    La porosidad específica está por debajo del 1%. Si la porosidad es excesiva, variar el parámetro deposición aumentando (2.2) o el régimen de tratamiento térmico (3).

Representative Results

Para la producción de componentes medidos, sólo polvos del mismo fabricante, se han combinado para cada componente de múltiples material. Experimentos con polvos de diferentes fabricantes en un componente están todavía en curso. Para ello, las tarifas de encogimiento diferentes tienen que ser considerados.

El resultado de la medición del diámetro medio de partícula (d50) de la zirconia blanca - 1 después de la dispersión fue 0.37 μm. El fabricante indica un tamaño de partícula real de 0.04 μm (un orden de magnitud menor). El tamaño medio de partícula (d50) de zirconia negra - 1 es 0,5 μm. figura 2 (A) muestra el análisis FESEM de la zirconia blanca - 1 y figura 2 (B) una FESEM-imagen de la superficie de un granulado con detalle. Figura 2 (C) y (D) figura 2 muestran la misma zirconia negra - 1. Ambos polvos sin tratar consisten en gránulos esféricos grandes (hasta 100 μm de diámetro) que es típico de las materias primas de prensado en seco. Las imágenes de FESEM de las superficies de granulados muestran las partículas primarias de la zirconia blanca - 1 (figura 2 B) y zirconia negra - 1 (figura 2 (D)) con un tamaño de partícula real de casi 0,04 μ m.

La figura 2 (E) – 2 (H) ver las imágenes de FESEM de la zirconia blanca - 2 y zirconia negra - 2. Los tamaños de partícula promedio medido (d50) de polvos de Circonia Circonia blanca - 2 y zirconia negra - 2 0.27 μm y 0.25, respectivamente, en donde las partículas son presentes como gránulos esféricos con diámetros de hasta 100 μm (figura 2 (E) y la figura 2 (G)). El tamaño de las partículas primarias de polvos blancos es inferior a 0.1 μm (figura 2 (F)). Las partículas primarias de polvo negro son hasta 0.5 μm de diámetro (figura 2 (H)).

Figura 3 (A) muestra la viscosidad dinámica de las suspensiones basadas en zirconia blanca - 1 y zirconia negro - 1 en función de la tarifa del esquileo y en dependencia de la temperatura (85 ° C y 100 ° C). Ambas suspensiones muestran un esquileo adelgazamiento comportamiento independientemente de la temperatura.

La tabla 1 resume la medida viscosidad de las suspensiones en las tasas de corte diferentes y para diferentes temperaturas.

Figura 3 (B) muestra el comportamiento reológico de las suspensiones basadas en zirconia blanca - 2 y zirconia negra - 2 (85 ° C y 100 ° C). Todos los gráficos muestran un adelgazamiento del comportamiento del esquileo. La tabla 2 resume la medida viscosidad de las suspensiones en las tasas de corte diferentes y para diferentes temperaturas.

Además de las mediciones de corte tasa controlada, se realizaron mediciones a largo plazo. Figura 3 (C) muestra el curso de la viscosidad dinámica durante las mediciones a largo plazo para todos cuatro suspensiones a una velocidad de cizalla constante de 10 m/s durante 2 h. Mientras que la viscosidad dinámica de las suspensiones de blanco de zirconio (zirconia blanca - 1 y zirconia blanca - 2) es casi constante (cuadro 3), la viscosidad dinámica tiende a disminuir ligeramente de la zirconia negra (zirconia negra - 1 y zirconia negra - 2).

Después de la determinación empírica de los parámetros de dosificación la fabricación de componente único, tres estructuras dimensionales se convirtieron manejables para cada suspensión. Figura 4 (A) muestra una estructura compleja prueba sinterizado basada en la suspensión de zirconia blanca - 1 y aditiva fabricados por CerAM - T3DP. La misma prueba de estructura aditiva fabricado por CerAM - T3DP y la zirconia negra - 1-suspensión se muestra en la figura 4 (B).

Figura 4 (C) muestra una estructura sinterizada prueba basada en las suspensiones de zirconia de la zirconia blanca - 2, figura 4 (D) una estructura sinterizada prueba basada en zirconia negra - 2. Con posterioridad a la fabricación de los componentes de la solo-color la fabricación de componentes de múltiples colores llevó a cabo. La figura 4 (D) a 4 (F) muestran algunos sinterizan fabricación aditiva de zirconia color múltiples componentes con CerAM - T3DP.

Figura 5 (A) y figura 5 (B) Mostrar FESEM-imágenes de la microestructura de los componentes de varios colores con una interfaz claramente distinguible entre las dos suspensiones sobre la base zirconia polvos blanco zirconia - 1 (arriba) y Zirconia negra - 1 (abajo).

Un análisis de espectroscópico energía dispersiva de rayos x (EDX) demostró que en la microestructura de la sinterizado de zirconia negra - 1 corteza de alúmina más ocurre (figuras 6 (A-C)). Para evaluar la composición de la y zirconia negra - 1-microestructura especialmente en las áreas oscuras en más detalle más EDX las investigaciones tuvo lugar (figuras 6 (D-g)) que demostró la precipitación de la alúmina (figura 6 (E) ).

Figure 1
Figura 1: dibujo CAD de CerAM usados - T3DP-dispositivo con tres unidades de dosificación de micro y un escáner superficie. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: FESEM-imagen de zirconia usada granula. (A) granulados de zirconia blanca - 1 - Resumen y superficie (B) ; (C) granulados de zirconia negra - 1 - Resumen y superficie (D) ; (E) granulados de zirconia blanca - 2 - Resumen y superficie (F) ; Granulado (G) zirconia negra - 2 - Resumen y superficie (H) .

Figure 3
Figura 3: comportamiento reológico de suspensiones termoplásticos. (A) sobre la base de polvos de Circonia zirconia blanca - 1 y zirconia negra - 1; (B) sobre la base de polvos de Circonia zirconia blanca - 2 y zirconia negra - 2; (C) comparación de los cuatro suspensiones durante la medición a largo plazo en una constante 10/s de velocidad de esfuerzo cortante.

Figure 4
Figura 4: sinterizado solo - y multi - material prueba estructuras aditiva fabricadas por T3DP. (A) basada en zirconia blanca - 1 -suspensión; (B) basada en zirconia negra - 1 -suspensión; (C) basada en zirconia blanca - 2 -suspensión; (D) basada en zirconia negra - 2 -suspensión; (E) basada en zirconia blanca - 1 - y zirconia negra - 1 -suspensión; (F) basada en zirconia blanca - 2- y zirconia negra - 2 - suspensión - marco-como la estructura y estructura en forma de anillo (G) .

Figure 5
Figura 5: imágenes de FESEM. FESEM-imágenes de sección transversal en la interfaz entre el sinterizado de zirconia blanca - 1 (arriba) y zirconia negra - 1 (abajo); Interfaz planar (A) y (B) entrelazadas

Figure 6
Figura 6: Resultados de las mediciones de EDX en sinterizado de zirconia blanca - 1 / zirconia negra - 1 -interfaz. (A) Resumen sobre los campos de la medida 1 + 2 y (D) 3-5; resultados de medición (B) campo 1, campo (C) 2, (E) campo 3, campo (F) 4 y (G) campo 5.

Figure 7
Figura 7: cambio de la masa de la zirconia blanca - 1 - y zirconia negra - 1 -suspensiones durante la descomposición termal Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Table 1
Tabla 1: viscosidad dinámica de suspensiones termoplásticos basado en los polvos de Circonia Circonia blanca - 1 y zirconia negro - 1. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Table 2
Tabla 2: viscosidad dinámica de suspensiones termoplásticos basado en los polvos de Circonia Circonia blanca - 2 y zirconia negro - 2. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Table 3
Tabla 3: viscosidad dinámica de todos cuatro suspensiones durante la medición a largo plazo a una velocidad de cizalla constante de 10/s. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Discussion

La caracterización del comportamiento reológico de la suspensión fundida en las tasas de alta cizalladura hasta 5000/s es necesaria desde la evaluación de las condiciones dentro de la micro utiliza sistemas (geometría de la cámara del pistón y boquilla, velocidad del pistón) reveló que las tasas de corte de 5000/s y superiores se generan en el micro sistema de distribución durante el proceso de deposición25.

La investigación de los parámetros de impresión se debe hacer para ayudar con la calibración del dosificador para la fabricación de componentes y materiales. La influencia de los parámetros del dispensador en las propiedades de los materiales ha sido discutida en25. Límites de valor de parámetro empírico sólo han sido disuasión. Hasta ahora la experiencia muestra que la varianza en gotita cadena altura y anchura no debe exceder del 3%. Diferencias de diámetro hasta 100 micrones y desniveles de hasta 50 micras pueden ser compensados por la anchura de pulso parámetros, factor de la fusión de gotas (DFF) y ancho de extrusión (parámetro de corte).

Es fundamental para el proceso de impresión que las alturas de capa de los diferentes materiales se ajustan entre sí modificando la distancia entre las gotas solo, ya que resultaría en un desnivel dentro de una capa si las alturas de los diferentes materiales hacen no partido. Un desnivel conduce a defectos grandes y componentes defectuosos. Reduciendo la distancia entre dos gotitas y la superposición mayor asociada, la anchura y la altura de la cadena de la gotita aumenta debido al volumen casi constante de las gotas individuales. Se puede observar que el ancho de la cadena de la gotita aumenta más rápidamente que la altura de la cadena de la gotita. No es necesario y probablemente no es posible realizar hemisferios perfectamente formados como solo gotitas, pero usted tiene que asegurarse mediante la determinación de la conexión que la homogeneidad de la formación de la gotita es muy alta para garantizar una homogénea los parámetros de dispensación la construcción de los componentes.

La medición a 85 ° C simula el comportamiento reológico de las suspensiones en el cartucho de alimentación del micro sistema de dispensación. Por encima de 90 ° C, la descomposición de los componentes de la carpeta comienza (figura 7). Todo suspensiones muestran un comportamiento casi similar. La temperatura de boquilla usada del sistema dispensador micro era de 100 ° C. Esta temperatura promueve la formación de gotas debido a la baja viscosidad causada por aumento de la temperatura de suspensiones al pasar la boquilla. Por el corto tiempo de la suspensión dentro de la boquilla a esta temperatura la descomposición no influye en el comportamiento material significativamente.

Los componentes de varios colores podrían sinterizados casi libre de defectos, pero para los polvos de Circonia negra - 2 y zirconia blanca - 2 el color de la fase blanco convertido en rosa. La causa para el cambio de color son procesos de difusión entre los diferentes materiales durante la sinterización. Esto es sólo un efecto en la superficie y puede eliminarse por un paso de moliendo. Pero esto es muy difícil para estructuras complejas de tecnologías AM.

Dentro de los componentes de multicolores desarrolladas interfaces planas y entrelazadas de límite entre las dos composiciones diferentes. Así, independientemente de la deposición de gota-limite del material, la disposición de las diferentes microestructuras puede realizarse precisamente. Además, la forma de la gota puede explotarse para aumentar la interfaz de límite entre dos materiales. Hasta ahora se han producido transiciones materiales sólo discretas. La investigación futura puede también implicar la producción de cambios graduales entre materiales.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este proyecto ha recibido financiación de la Unión Europea Horizon 2020 programa de investigación e innovación bajo concesión contrato 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 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kieback, B., Neubrand, A., Riedel, H. Processing techniques for functionally graded materials. Materials Science and Engineering - A. 362 (1-2), 81-106 (2003).
  2. Mortensen, A., Suresh, S. Functionally graded metals and metal-ceramic composites: Part 1 Processing. International Materials Reviews. 40 (6), 239-265 (1995).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Homa, J. Rapid Prototyping of high-performance ceramics opens new opportunities for the CIM industry. Powder Injection Moulding International. 6 (3), 65-68 (2012).
  11. Chartier, T., Badev, A. Rapid Prototyping of Ceramics. Handbook of Advanced Ceramics Elsevier. , Oxford, UK. (2013).
  12. Travitzky, N., et al. Additive Manufacturing of ceramic-based materials. Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).

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Ingeniería número 143 fabricación cerámica materiales varios multicolor zirconia aditivo termoplástica 3D-impresión (CerAM - T3DP) materiales funcionalmente calificados (MGF)
Componentes múltiples materiales de cerámica – aditivos de fabricación de componentes de Zirconia en blanco y negro por impresión 3D termoplástica (CerAM - T3DP)
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