Summary
Este estudio muestra múltiples materiales fabricación aditiva () utilizo fundido fabricación de filamento (FFF) de acero inoxidable y zirconia.
Abstract
Cerámica técnica es ampliamente utilizado para aplicaciones industriales y de investigación, así como para bienes de consumo. Hoy en día, la demanda de geometrías complejas con diversas opciones y métodos de producción favorables está aumentando continuamente. Fabricación de filamento fundido (FFF), es posible producir componentes de grandes y complejos rápidamente con alta eficacia material. En FFF, un filamento termoplástico continuo es fundido en una tobera caliente y depositado por debajo. Se mueve el cabezal de impresión controlada por ordenador para crear la forma deseada capa por capa. Las investigaciones en cuanto a impresión de metales o cerámicas están aumentando cada vez más en la investigación y la industria. Este estudio se centra en la fabricación aditiva (AM) con un enfoque de múltiples material para combinar un metal (acero inoxidable) con un técnico de cerámica (zirconio: ZrO2). La combinación de estos materiales ofrece una amplia variedad de aplicaciones debido a sus diferentes propiedades eléctricas y mecánicas. Muestra los temas principales en la preparación de material y materias primas, desarrollo de dispositivos y la impresión de estos compuestos.
Introduction
Según ISO/ASTM, añadido de la fabricación (AM) es el término general para las tecnologías que crean objetos físicos basados en una representación geométrica por la adición sucesiva de material1. Por lo tanto, estas tecnologías ofrecen la posibilidad de fabricar componentes con geometría muy compleja, que no puede ser lograda por cualquier otra técnica que conoce a los autores.
Materiales cerámicos han sido estudiados desde el desarrollo temprano de las diferentes tecnologías de AM en el último cuarto del siglo2,3; sin embargo, la fabricación aditiva de componentes de cerámica no es estado del arte en contraste con la fabricación aditiva de los componentes de polímero o metal. Se dan varias descripciones sobre las tecnologías AM para componentes de cerámica por Chartier et al. 4, Travitzky et al. 5 y Zocca et al. 6, que pueden clasificarse según el estado del material que se utiliza - materiales del polvo, materiales líquidos y materiales sólidos4,5 o según el tipo de material deposición y solidificación6 . AM los dispositivos están disponibles que permiten la fabricación aditiva de componentes cerámicos densos y de alta calidad con las propiedades deseadas para la mayoría aplicaciones7,8,9,10 , 11.
Producción de componentes de cerámica requiere procesamiento complejo, y esto ha estancado el progreso en la AM de la cerámica. Sin embargo, componentes de cerámica son indispensables para los bienes especiales de consumo y dispositivos médicos y AM abre nuevos horizontes para la fabricación de nuevos componentes con geometrías "imposible"12. Para componentes de cerámica técnicos, se requiere un tratamiento térmico subsecuente de los componentes fabricados desde la conformación de la cerámica requiere el uso de polvos suspendidos en aglutinantes orgánicos que necesitan ser removidas (es decir., desligado) antes de la polvo se fusionaron (es decir, de la sinterización).
La AM de componentes de múltiples materiales y multifuncionales combina las ventajas de AM y funcionalmente clasificados materiales (MGF)13 en 4D-componentes basados en cerámica14. Materiales híbridos permiten combinaciones de propiedad como eléctricamente conductora/aislante magnético/no magnético, dúctil, duro y diferentes coloraciones. Componentes híbridos pueden exhibir las funciones sensor o actuador de MEMS (sistemas micro electromecánicos)15 así. Además, compuestos de metal y cerámica pueden complementar uniendo piezas de cerámica en máquinas desde socios acero soldables convencionales se pueden utilizar.
El proyecto europeo cerAMfacturing (proyecto europeo CORDIS 678503) está desarrollando tecnologías de AM para componentes materiales, así como un enfoque completamente nuevo para AM de componentes y materiales, que permitirá la producción en serie de modificado para requisitos particulares y componentes multifuncionales para varias aplicaciones12. Tres técnicas de AM diferentes basadas en suspensión están calificadas para permitir que el AM de componentes de cerámica de cerámica así como metal-cerámica. La utilización de técnicas basadas en la suspensión de la AM promete componente mejora de rendimiento en comparación con métodos basados en polvo. Debido a la distribución de partículas de polvo en suspensión es más homogéneo y más compacto que en un lecho de polvo, estos métodos que forma rendir mayores densidades de verdes, que componentes sinterizados con microestructuras densas y de baja rugosidad superficial niveles12.
Junto con la cerámica basada en litografía fabricación (LCM)7,8,9,10,11,16,17, fusionados con la fabricación de filamento (FFF) y se están desarrollando termoplástico impresión 3D (T3DP)12,14,18 . FFF y T3DP son más adecuados para el AM de componentes múltiples materiales que LCM debido a la deposición selectiva y la solidificación del cierto material en lugar de la pura solidificación selectiva de material depositado en toda la capa14 .
Un beneficio adicional de la FFF y T3DP en comparación con la LCM es el uso de sistemas termoplásticos de la carpeta en vez de foto-curado de polímeros. El sistema de encuadernación permite el procesamiento de polvos independientes de sus propiedades ópticas tales como absorción, emisión y reflexión de las ondas electromagnéticas, por ejemplo, oscuros y brillantes materiales (en la gama visible), que es necesario para la producción de componentes de metal-cerámica19,20. Además, baja inversión es necesaria para el equipo de FFF ya que una gran variedad de dispositivos estándar están disponibles. Esta técnica se convierte en económica debido a la alta eficiencia material y los materiales reciclables. Por último, FFF es fácil de lujo para las piezas grandes ya que el proceso se basa en mover la cabeza de impresión en los ejes.
Este papel presenta los primeros resultados de la fabricación de compuestos metal-cerámicos utilizando FFF. Además, se presenta la combinación técnica de FFF y T3DP unidades, aunque todavía está bajo desarrollo. En el proceso de la FFF, filamentos de polímeros termoplásticos son fundidos y extruidos selectivamente por la acción de dos elementos giratorios de contador. Una vez que el material se extruye a través de la boquilla, se solidifica por enfriamiento, lo que permite la producción de componentes capa por capa. Para producir el finales componentes cerámicos y metálicos, una variante del proceso ha sido desarrollado21,22,23,24,25,26. Los compuestos poliméricos, conocidos como aglutinantes, están muy llenos de un polvo cerámico o metálico. Una vez que la configuración de los componentes se ha realizado utilizando el método convencional de la FFF, dos pasos adicionales son necesarios. En primer lugar, los componentes poliméricos deben retirarse completamente de las muestras en la etapa debinding, generando una estructura con numerosos poros de tamaño micro. Para lograr las propiedades finales, los polvos compactos son sinterizados posteriormente a una temperatura por debajo del punto de fusión del material. Desde este enfoque, la producción de materiales como el nitruro de silicio, sílice fundido, cerámica piezoeléctrica, aceros inoxidables, carburo de tungsteno, cobalto, alúmina o dióxido de titanio23,24,25 ha sido con éxito llevado a cabo en otros lugares.
El uso de filamentos poliméricos muy lleno y la característica del proceso de imponen ciertos requisitos en los materiales21. Debe proporcionarse buena compatibilidad entre los componentes del ligante termoplástico y el polvo, que debe ser distribuido homogéneamente mediante técnicas de composición en las temperaturas sobre el punto de fusión de los componentes de aglomerante orgánico, como el amasado o cortante de rodadura. Ya que el filamento sólido actúa como un pistón en el cabezal de impresión para empujar el material fundido, una alta rigidez y baja viscosidad debe permitir la extrusión del material a través de la boquilla con diámetros típicos que van de 0.3 a 1.0 mm. Mientras tanto, el material debe poseer suficiente flexibilidad y la fuerza que se formó como un filamento que puede ser puesto en cola. Para combinar todas estas propiedades al tener una alta carga de polvo, carpeta varios componente diferentes sistemas han sido desarrollados21,22,26.
Además del uso de la formulación adecuada de la carpeta, un nuevo sistema de conducción se ha empleado en este trabajo. Comúnmente, se utilizan ruedas dentadas para empujar los filamentos a través de la boquilla. Estos dientes pueden dañar el filamento frágil. Con el fin de reducir los requerimientos mecánicos de los filamentos y aumentar la presión de extrusión durante el proceso de la FFF, el convencional sistema FFF de ruedas dentadas fue sustituido por un sistema de correa doble especial. Dirección y alta fricción se genera debido a la longitud, la forma y el recubrimiento de goma de las correas. La cuestión más importante era prevenir cualquier deformación del filamento a través del cabezal de impresión. El filamento debe guiarse hacia la boquilla, espacio libre no se permite, y las necesarias transiciones entre los componentes tienen que ser considerados.
Después de salir de la unidad de alimentación, el filamento entra en la unidad de boquilla. Los objetivos principales fueron gestión de la temperatura de diseño y orientación de gapless. El cabezal de impresión desarrollado se muestra en la figura 1.
Figura 1 : Modelo de CAD de la nueva unidad de impulsión de correa (arriba) y la imagen de la unidad real (abajo). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Otro gran desafío a abordar para la producción de componentes de metal-cerámica es la selección de polvos que co procesamiento durante el tratamiento térmico (similar coeficiente de expansión térmica (CTE), regímenes de temperatura y ambiente) y especialmente el ajuste del comportamiento de la contracción de ambos materiales durante la etapa de sinterización. En este trabajo, intento hecho combinar zirconia y modificado de acero inoxidable 17-4PH tener un CTE similar (aprox. 11 x 10-6k) y puede ser sinterizados en las mismas condiciones (reducción de la atmósfera de hidrógeno, temperatura de la sinterización: 1350-1400 ° C). Sin embargo, para ajustar el comportamiento de contracción, un procedimiento de fresado especial para el polvo metálico es necesario19,20.
Protocol
1. materiales utilizados
- Selección de los componentes de la carpeta
- Seleccione el sistema de carpeta según los criterios de compuestos muy llenados (contenido de polvo de aproximadamente 50% vol.) definido para FFF: alta fuerza mecánica, suficiente rigidez, baja viscosidad y flexibilidad para la cola. Una drástica reducción de la flexibilidad y el aumento de la viscosidad se pueden esperar por un alta carga sólido.
Nota: En este estudio, se empleó un sistema de varios componentes de la carpeta. La mayoría de los componentes consistió en un elastómero termoplástico para mejorar la flexibilidad y la fuerza. Una poliolefina funcionalizada se incluyó como una columna vertebral para mejorar la adherencia con el polvo. Finalmente, el ácido esteárico (alrededor de 5% en vol.) fue incorporado como un surfactante para la buena dispersión de los polvos. Por razones de confidencialidad, no se divulgó más información.
- Seleccione el sistema de carpeta según los criterios de compuestos muy llenados (contenido de polvo de aproximadamente 50% vol.) definido para FFF: alta fuerza mecánica, suficiente rigidez, baja viscosidad y flexibilidad para la cola. Una drástica reducción de la flexibilidad y el aumento de la viscosidad se pueden esperar por un alta carga sólido.
- Selección de polvos
- Elegir un par de polvo adecuado para el abordaje de múltiples material. Para el co-procesamiento de una cerámica y un polvo de metal, elegir los materiales con el mismo coeficiente de expansión térmica (CTE) y el mismo comportamiento de contracción durante la sinterización en la misma atmósfera de sinterización.
- Seleccione el grado específico de cerámica. Elegir zirconia tetragonal yttria-estabilizado el CTE y la temperatura de la sinterización es comparable de aceros inoxidable especiales, así como la alta dureza y resistencia a la flexión de este material cerámico. Utilizar polvo de zirconia con un área superficial específica de 7 ± 2 m2/g y un tamaño de partícula de d50 = 0.5 μm.
- Seleccione el grado específico de metal. Use polvo de acero inoxidable como el material metálico conductor y dúctil. El material debe tener un CTE similar y una gama similar de sinterización a temperaturas a las de la zirconia en una atmósfera protectora de hidrógeno.
- Ajuste del comportamiento de la sinterización
- Para lograr un libre de estrés conjuntamente de la sinterización, ajustar el comportamiento de la cepa dependiente de temperatura (contracción debido a la expansión térmica y sinterización) de ambos tipos de polvo. Puesto que el polvo del zirconia usado tiene alta energía superficial debido a las partículas finas, modificar el polvo de acero inoxidable por refinar las partículas de metal comparativamente grandes y aumentando la densidad de dislocación por la deformación del enrejado atómico.
Nota: Primero durante el fresado del desgaste, las partículas esféricas de acero son re-formas en escamas delgadas y frágiles con una densidad de dislocación extremadamente alta. En segundo lugar durante la etapa de molienda de alta energía (planetario de bolas molienda, PBM), las escamas frágiles se divide en partículas de grano muy fina con una mayor capacidad de sinterización. De esta manera, mayor actividad de sinterizado de polvo metálico se puede llegar y la curva de disminución se podría ajustar a la curva del zirconia, mostrando sólo pequeñas diferencias19,20.- Aplicar desgaste fresado (180 min) a las partículas esféricas de acero inoxidable para remodelar en escamas delgadas y frágiles.
- Realizar planetarios de bolas molienda (240 min) para romper los frágiles copos en partículas de grano muy fina con una proporción menor pero una mayor capacidad de sinterización.
- Para lograr un libre de estrés conjuntamente de la sinterización, ajustar el comportamiento de la cepa dependiente de temperatura (contracción debido a la expansión térmica y sinterización) de ambos tipos de polvo. Puesto que el polvo del zirconia usado tiene alta energía superficial debido a las partículas finas, modificar el polvo de acero inoxidable por refinar las partículas de metal comparativamente grandes y aumentando la densidad de dislocación por la deformación del enrejado atómico.
- Evaluar el éxito del ajuste
- Utilice una barra o un dilatómetro óptico para medir el comportamiento de contracción de pactos de material adecuados y comparar los resultados. Usar el contenido de polvo volumétricos de ambos materiales es la misma y aplicar la misma medida (tarifas, atmósfera, temperatura, tiempo de permanencia de la calefacción).
- Si hay un gran desajuste en el comportamiento de sinterización, ajustar los parámetros de fresado del polvo de acero inoxidable. Polvos más finos conducirá a un sinter inferior a partir de temperatura. Un desgaste más largo tiempo de molienda conducirá a energías más altas de la dislocación y mayor contracción. Molienda planetaria lleva a polvo ensangrentado, que se aplica en compuestos de polímeros.
Nota: El éxito del ajuste está influenciado por las materias primas. Optimización debe ser llevado a cabo. Un desplazamiento de las curvas de sinterización puede también ser generado por fraccionamiento de los polvos. Fracciones de polvo fino tienden a comenzar la sinterización a temperaturas más bajas.
2. filamento producción
- Preparación de materia prima
Nota: Para la preparación de la materia prima del zirconia, el polvo para reducir su tendencia a aglomerarse27seco. Secar el material a 80 ° C en una estufa de vacío por un mínimo de 1 hora.- Los compuesto del material en un mezclador de rotores de rodillo durante 30 minutos a 60 rpm.
- Asegúrese de que la temperatura es suficientemente alta para fundir todos los componentes de la carpeta. Introducir los componentes de la carpeta y esperar a que la fusión. Alimentar el polvo en 5 cargas consecutivas cada 5 min.
- Al final del proceso, extraer el material de la cámara en pedazos pequeños para facilitar el paso 2.1.2.
Nota: Para ambos materiales, contenido de polvo de 47% vol. se realizaron dentro de las materias primas de termoplásticas.
- Granular o granular el material sólido después de enfriarse a temperatura ambiente.
- Cuando se emplea un molino de corte, introducir poco a poco las piezas de material. Espere hasta que las piezas de dentro son granuladas para introducir los siguientes.
- A la salida de la cámara de molienda, utilizar un tamiz con perforaciones de 4 x 4 mm cuadrado para obtener gránulos de tamaño adecuado. Este procedimiento es necesario para una alimentación continua del extrusor de doble tornillo o de cizalla rodillo (paso 2.1.3).
- El material en el alto esquileo las tasas para mejorar la dispersión, por ejemplo, en un extrusor de tornillo doble Co giratorio (EET) o en una cizalla rodillo estirador compuesto. Recoger el material con una cinta transportadora y enfriar a temperatura ambiente.
Nota: En este estudio, se utilizan un extrusora de doble tornillo Co giratorio. La velocidad de rotación del tornillo se estableció en 600 rpm y una temperatura de 170 ° C en la zona de alimentación hasta 210 ° C en el dado se definió. - Granular o granular el material sólido después de enfriarse a temperatura ambiente. Utilice el procedimiento de 2.1.2 o granular el material al final de la cinta transportadora con una peletizadora. Si es necesario, repita el proceso hasta que los gránulos tienen una longitud igual o inferior a 4 mm.
- Los compuesto del material en un mezclador de rotores de rodillo durante 30 minutos a 60 rpm.
Figura 2 : Filamento producción línea. El material se extruye en forma controlada por la regulación de la velocidad de la protuberancia y la temperatura. Luego, es recogido y conducido por una cinta transportadora y Acarree-apagado la unidad. Se mide el diámetro del filamento y si los valores están dentro del rango deseado, es enrollar el filamento. Para regular las dimensiones del filamento, las velocidades de arrastre y diferidas deben ajustar progresivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- Extrusión de filamentos
Nota: La figura 2 muestra un esquema del proceso de fabricación para la preparación de filamentos y los parámetros variables que definen el diámetro del filamento en la parte inferior. El filamento es recogido por una cinta transportadora y tirado por la acción de dos pares de contador de rotación de los rodillos. Los valores de diámetro y ovalidad se miden en un dispositivo de medición de láser, y se ajustan los parámetros de proceso para regular la geometría del filamento. El material se almacena finalmente en carretes. La producción de filamentos con una gama constante de dimensiones es fundamental para la repetibilidad del proceso, puesto que el caudal de aire en FFF es dependiente de la geometría del filamento.- Extruir el material a 30 rpm a una temperatura por encima del punto de fusión de los componentes de la carpeta. Para un buen control de la calidad de la presión y el filamento, utilizar un estirador de solo tornillo con un diámetro de boquilla de al menos 1,75 mm.
Nota: Para cantidades pequeñas de material, un reómetro capilar de alta presión puede emplearse en la fase de desarrollo material. Sin embargo, se puede esperar una pobre calidad dimensional del filamento.
Nota: Pueden combinarse pasos 2.1 y 2.2.1 en un proceso de extrusión de tornillo gemelo adecuada. - Recoger el material extruido. Utilice una cinta transportadora para recoger y enfriar el material extruido. Aire o elementos de refrigeración por agua puede ser necesario cuando se usa extrusión alta velocidad.
- Medir y controlar las dimensiones del filamento. Para una velocidad de extrusión especial, regular progresivamente la cinta transportadora y tirando de velocidades para ajustar las dimensiones del filamento (disminución del transportador y tirando de velocidades para un mayor diámetro). Producen filamentos con una gama de diámetro de 1,70 a 1,80 mm y ovalidad inferior a 0,10 mm.
Nota: El valor de la ovalidad se define como la diferencia entre los diámetros máximos y mínimos. Un filamento perfectamente redondo, debe obtenerse un ovalo de cero. - El material del carrete. Una unidad adicional de la cola (figura 2) puede colocarse al final de la cinta transportadora para enrollado automático.
- Extruir el material a 30 rpm a una temperatura por encima del punto de fusión de los componentes de la carpeta. Para un buen control de la calidad de la presión y el filamento, utilizar un estirador de solo tornillo con un diámetro de boquilla de al menos 1,75 mm.
3. aditivo fabricación de componentes verdes
- Investigación de los parámetros óptimos
- Antes de imprimir, usar software de corte comercial. Este software se puede aplicar para establecer los parámetros de impresión y para generar el código g para el dispositivo de impresión de un modelo CAD 3D.
- Para la impresión, tenga en cuenta los siguientes parámetros esenciales:
- temperatura del lecho para la adherencia de la cama
- velocidad de impresión de diversos materiales
- variando la temperatura de impresión para flujo de material constante
- control de ventilador para apoyar a solidificación del filamento impreso
- temperatura para mejor adherencia entre capas de impresión
- parámetros de la retracción para evitar la exudación y el uso de un «primer pilar»
- variando el flujo del material para asegurar el mismo ancho de hilo de diferentes materiales
- SOY de prueba de componentes
- Realizar soy de muestras verdes con una impresora 3D comercial (véase Tabla de materiales). Fabricación de componentes de prueba de material solo antes de imprimir componentes múltiples materiales.
- Corregir cualquier desalineación posible de los inyectores en el software de la impresora antes de fabricar componentes de múltiples materiales.
- Fabricación de un solo componente
- Carga el cabezal de impresión 1 con el filamento de zirconia y cabezal 2 con el filamento de acero inoxidable. Para ambos filamentos, utilice una velocidad de cabezal de impresión de 10 mm/s e impresión temperatura de 20 ° C. Ajuste la temperatura del cabezal de impresión de zirconia a 220 ° C y el acero inoxidable a 240 ° C.
Nota: Como una primera muestra de geometría, cuboids fueron fabricados por los solos materiales y configuración sándwich diferente ha sido elegido para el componente de múltiples material. Todos los componentes de verdes tenían finales dimensiones de 15 x 15 mm y de espesor variado 1-3 mm y fueron fabricadas con un espesor de capa de 0.25 mm. La temperatura del cabezal de impresión puede variar para conseguir la fluidez deseada de las materias primas. Aumento de la temperatura conduce a una reducción de la viscosidad. Las temperaturas óptimas de impresión de los dos materiales pueden ser diferentes.
- Carga el cabezal de impresión 1 con el filamento de zirconia y cabezal 2 con el filamento de acero inoxidable. Para ambos filamentos, utilice una velocidad de cabezal de impresión de 10 mm/s e impresión temperatura de 20 ° C. Ajuste la temperatura del cabezal de impresión de zirconia a 220 ° C y el acero inoxidable a 240 ° C.
- Fabricación de múltiples material
- Fabricación de componentes y materiales alternando con dos o tres capas diferentes, por ejemplo., acero inoxidable de 1 mm / Circonia de 1 mm / acero inoxidable de 1 mm o 1 mm zirconia / acero inoxidable de 1 mm / Circonia de 1 mm.
Nota: En la impresión de varios componente, puede ser muy útil usar un "pilar principal" para las transiciones de material fuertes y precisas. Cuando se cambia el cabezal de impresión, a pocos milímetros del filamento son sea necesario hasta que el material llena la boquilla usada para ser sacado, lleva a las lagunas. Por lo tanto, no es tan bueno como podría ser el aspecto de la pieza. Para evitar este comportamiento, el "pilar principal" al lado de la parte de imprimir, se puede definir en el software. Una capa del primer pilar (torre rectangular, figura 3) se imprimirán primero al cambiar la boquilla, para asegurarse de que la boquilla esté preparado y listo para imprimir antes de continuar con las capas de la parte.
- Fabricación de componentes y materiales alternando con dos o tres capas diferentes, por ejemplo., acero inoxidable de 1 mm / Circonia de 1 mm / acero inoxidable de 1 mm o 1 mm zirconia / acero inoxidable de 1 mm / Circonia de 1 mm.
- Optimización de la fabricación
- Utilizar un "escudo de cieno" si es necesario; se trata de una pared fina impresa alrededor del componente (figura 4). Después de los cambios de la cabeza de impresión para el segundo componente fuera de la parte, la boquilla de cruzar este muro cuando se mueve desde la torre. Todo el material adherido se pela apagado de la boquilla en este escudo y puede aumentar la precisión de la deposición de material sobre la pieza a imprimir.
Nota: Más optimizaciones en cuanto a la calidad alcanzable son posibles por ajustes más finos del flujo, el ancho de extrusión y el multiplicador de extrusión, suponiendo que el diámetro del filamento es constante.
- Utilizar un "escudo de cieno" si es necesario; se trata de una pared fina impresa alrededor del componente (figura 4). Después de los cambios de la cabeza de impresión para el segundo componente fuera de la parte, la boquilla de cruzar este muro cuando se mueve desde la torre. Todo el material adherido se pela apagado de la boquilla en este escudo y puede aumentar la precisión de la deposición de material sobre la pieza a imprimir.
- Realizar soy de muestras verdes con una impresora 3D comercial (véase Tabla de materiales). Fabricación de componentes de prueba de material solo antes de imprimir componentes múltiples materiales.
Figura 3 : Fabricación de componentes de metal-cerámica con estructura de la torre. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4 : Impresión virtual de un componente con que exuda-escudo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
4. desligado y sinterización de los componentes
- Llevar a cabo desligado en dos pasos consecutivos. En primer lugar, realizar la extracción por solvente y tratamiento térmico luego para descomponer los componentes del ligante residual.
- Realizar la extracción por solventes con las partes verdes impresas usando ciclohexano a 60 ° C. Cubrir las muestras con suficiente ciclohexano y tratarlos para aspectos de seguridad de fuego de 8 h. considerar al realizar este paso. Un contenido de ligante soluble de unos 7-9% en peso se eliminarán aquí.
Nota: Aplicar una extracción por solventes conduce a reduce hinchazón efectos durante la subsecuente thermaldebinding. - Realizar desligado térmico en un horno de debinding en una atmósfera de argón para proteger los materiales de reducción (ocurrido bajo atmósfera de nitrógeno) o la oxidación. Usar una temperatura máxima de 440 ° C y velocidades de calentamiento diferente entre 5 ° C y 150 ° C por hora.
- Para caracterizar y optimizar el comportamiento debinding de ambas materias primas aplican un termogravimétrico análisis bajo nitrógeno flujo hasta de 600 ° C para evaluar tasas de calentamiento apropiado.
- Realizar la extracción por solventes con las partes verdes impresas usando ciclohexano a 60 ° C. Cubrir las muestras con suficiente ciclohexano y tratarlos para aspectos de seguridad de fuego de 8 h. considerar al realizar este paso. Un contenido de ligante soluble de unos 7-9% en peso se eliminarán aquí.
- Llevar a cabo en un ambiente de reducción de 80% argón y 20% de hidrógeno en un horno de tungsteno de alta temperatura de sinterización. Utilizar velocidades de calentamiento entre 3 ° C/min y 5 ° C/min para alcanzar una temperatura máxima de 1.365 ° C. Después de un tiempo de permanencia de 3 h, enfriar el horno a temperatura ambiente.
Representative Results
Los mejores resultados para acero inoxidable sinterizado comportamiento de ajuste se obtuvieron con un desgaste de tiempo de 180 minutos y un molino planetario de bolas (PBM) tiempo de 240 minutos de molienda de la molienda. La figura 5 muestra una imagen de SEM de polvo no tratada (izquierda), las partículas deformadas después de la atrición fresado (medio) y las partículas picaditas después del paso de fresado de PBM (derecha).
Figura 5 : Acero inoxidable tratamiento < 38 μm (D90) (izquierda), polvo de acero inoxidable después de desgaste fresado (medio) y polvo de acero inoxidable después de PBM fresado (derecha) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
El comportamiento de sinterización del polvo de acero inicial y molido se comparan con el comportamiento de sinterización del polvo de zirconia en la figura 6, todo medido con un dilatómetro óptico.
Figura 6 : Curvas dilatométricos del polvo del zirconia (TZ-3Y-SE) y el polvo de acero inoxidable (17-4PH) en el estado inicial y después de un tratamiento de fresado de alta energía del polvo de acero inoxidable. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La mejora de las propiedades mecánicas de la materia prima en el paso de compuestos de alta cizalladura se caracterizó por la materia prima de zirconia. Materia prima producida en un solo paso de compuestos de 75 minutos en un mezclador de rotores de rodillo (RM) fue comparada con el producido por el método descrito en el protocolo. Filamentos se saca usando un reómetro capilar de alta presión con un troquel de 1,75 mm de diámetro, una velocidad de pistón de 1 mm/s y una temperatura de 190 ° C. Los filamentos fueron recogidos con una cinta transportadora y testeado con una máquina de prueba extensible universal. Por lo menos 5 repeticiones fueron conducidas por el material. La figura 7 muestra una comparación de ambos materiales referentes a la última resistencia a la tracción (UTS), el alargamiento en la UTS y el Módulo secante.
Figura 7 : Influencia del método de composición en las propiedades mecánicas de la materia prima de la zirconia. Materia prima fue compuesta en un mezclador de rodillos internos (RM) o en combinación con un paso de tornillo doble Co giratorio (TSE). La fuerza, la flexibilidad y la rigidez de los filamentos con un reómetro capilar se determinaron utilizando el valor medio y la desviación estándar correspondiente de la última resistencia a la tracción (UTS), el alargamiento en UTS y el Módulo secante, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
En la figura 8, los valores de diámetro obtenidos durante la producción de los filamentos de zirconia (izquierda) y materias primas de acero inoxidable (derecha) se presentan. El diámetro del filamento sacado fue grabado durante el proceso de producción mediante un solo tornillo de extrusión. Para los filamentos de zirconia, podría lograrse un buen control de las dimensiones con un diámetro medio de 1,75 mm y una desviación estándar de 0,02 mm. Los filamentos que contienen el polvo del acero inoxidable modificada, se observó una mayor variabilidad del diámetro del filamento medio. Una posible razón de esto podría ser una distribución no homogénea de partículas dentro de la materia prima resultante de la forma de la plaqueta de partículas metálicas (figura 5). En este caso, un mayor número de puntos de medición se encontraron fuera del rango deseado de 1,75 mm ± 0,05 mm y el valor del diámetro medio fue de 1,74 mm con una variación estándar de 0,03 mm. Para ambos tipos de filamentos, los valores de ovalidad fueron considerablemente más pequeños que el límite de 0,1 mm.
Figura 8 : Histogramas del diámetro del filamento de las materias estudiadas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La figura 9 muestra los filamentos de metal y zirconio adecuados para la fabricación de estructuras sándwich verde con el composición zirconia-acero (izquierda) y zirconia-acero-zirconia (derecha).
Figura 9 : Verde-zirconia-acero (izquierda) y zirconia-acero-zirconia componentes (derecha) aditiva fabricados por FFF. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Debido al sistema de carpeta similar de ambos materiales, es posible fusionar ciertas capas en una pieza monolítica. Un más grande redondo forma parte con transiciones nítidas se muestra en la figura 10.
Figura 10 : Estructura con transiciones nítidas entre zirconio y acero inoxidable. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La figura 11 muestra verdes material único y múltiples componentes que fueron tratados posteriormente. Figura 12 muestra un ejemplo de zirconia pura en el lado izquierdo, el centro muestra un ejemplo de puro acero inoxidable, y finalmente en un compuesto de cerámica de acero sinterizado y se unió así a la foto en el lado derecho.
Figura 11 : Muestras de prueba verde fabricadas por FFF; top: zirconia-acero-materiales compuestos con acero inoxidable en la parte superior; media: acero inoxidable, fondo: zirconia. Red caja 5 mm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 12 : Sinterizado muestra de zirconia (izquierda), muestra de acero inoxidable sinterizado (medio) y sinterizado de zirconia-inoxidable acero-compuesto (derecha). Todas las escalas en mm haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
En la figura 13, se muestra una estructura típica de FFF-componentes con entrepiernas (o el perímetro) entre dos filamentos depositados, que resultó de una ordinaria corte (trayectoria de la herramienta) y la continua deposición de material.
Figura 13 : Estructura típica de FFF-componentes resultantes de cortar y la deposición de material continua. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Elevando el multiplicador de extrusión en el software de corte, que conduce a una mayor deposición de volumen, el perímetro sub puede ser reducido así como adaptando las trayectorias de herramienta. Sin embargo, debido al alto contenido de partículas en los filamentos, es evidente que el comportamiento de la deposición es diferente de impresión común de la termoplástica. Por lo tanto, es deseable una modificación de software para cerrar tales defectos.
Después de solvente desligado, desligado térmica y posterior sinterización, las diferentes muestras no mostró ninguna deformación significativa o distensión abdominal. El sinterizado puro Circonia acero inoxidable FFF muestras y tienen una buena estabilidad geométrica con y sin carga de compresión y no la hebilla. La pérdida de masa total fue 14,9 14,8%, lo que indica completa desligado.
Las muestras de metal-cerámica demostradas una buena adherencia macroscópica de ambos materiales. La pérdida de masa después de la sinterización de los compuestos fue encontrada para ser 14,1 14,4%, lo que también indica un completo desligado. Ajustes adicionales de análisis y proceso a seguir. La caracterización del microscopio electrónico de los compuestos está diseñada para proporcionar la penetración en la calidad del compuesto. La formación deseada del compuesto ha producido con éxito, como se muestra en la figura 14.
Figura 14 : Imagen de SEM de la microestructura en la interfaz de metal-cerámica mostrando el material conjunto. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los resultados muestran que un enfoque prometedor para la fabricación de composites metal-cerámica usando FFF genera propiedades aislamiento eléctricos y conductores eléctricos en un componente. Además, la aplicación de piezas de cerámica en ambientes metálicos llega a ser posible debido a la buena adherencia de material y la soldabilidad del acero inoxidable. Dentro de la UE, aparatos de calefacción de proyecto fueron fabricados por FFF que contiene una trayectoria conductora eléctrica de acero inoxidable en una no conductor ZrO2 matriz. La figura 15 muestra las muestras sinterizadas. Estos componentes múltiples materiales deben ser analizados y probados en el futuro.
Figura 15 : Sinterizado resistencias de acero inoxidable y zirconia Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 16 y figura 17 muestran el nuevo cabezal de impresión con dos cabezales de impresión de la FFF y dos cabezales de impresión de la T3DP como modelo de CAD (figura 16), así como implementado en el dispositivo FFF (figura 17). Uno de los desafíos es control de la salida para ambos sistemas. Para el micro unidades dispensadoras, la salida es controlada por la frecuencia de un pistón impulsado por el piezoeléctrico en lugar de la velocidad de los motores paso a paso para las unidades de cinta dentro de las cabezas de impresión de la FFF. La interacción de ambos aparatos se ensayarán en el futuro.
Figura 16 : Modelo de CAD de nuevo cabezal de impresión con dos cabezales de impresión de la FFF y dos cabezales de impresión de la T3DP. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 17 : Imagen del nuevo cabezal de impresión con dos cabezales de impresión de la FFF y una cabeza de impresión de la T3DP (izquierda). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Discussion
La zirconia y el acero inoxidable utilizado aquí son muy adecuados para la co sinterización de metal-cerámica componentes debido al CTE comparable, sinterización temperatura y atmósfera de sinterización. El comportamiento de sinterización de la zirconia y las materias primas de acero inoxidable podría ajustarse con éxito por el tratamiento de los polvos de acero inoxidable (figura 9). Mediante el uso de los mencionados materiales y métodos, es posible fabricar piezas sin defecto macroscópicas por FFF por primera vez. Al conocimiento authors', ningún otro método comparable de AM se conoce para la fabricación de dichas piezas excepto T3DP19,20. Una aplicación para componentes metálicos de la cerámica se muestra en la figura 17, que es un elemento de calefacción con un eléctrico conductor lazo de acero inoxidable en una matriz aislante de zirconia.
Uno de los mayores desafíos para la FFF de componentes metálicos y de cerámicas es el espectacular aumento de la rigidez y fragilidad de los filamentos por el alto contenido sólido. Por lo tanto, la selección de los componentes de la carpeta derecha fue un factor clave para el éxito del proyecto. Además, la fuerza y la flexibilidad de los filamentos podrían mejorarse mediante el uso de una cizalla alta mezcla técnica (figura 7). Según estudios anteriores con sistemas altamente llena28, esta mejora podría deberse a una mejor dispersión de polvo y reducción de los aglomerados29,30.
La investigación y ajuste de la extrusión, tirando y velocidades de enrollado durante el proceso de producción de filamento permiten la producción de filamentos altamente lleno de partículas con dimensiones apropiadas. Otros parámetros como la distribución de temperatura dentro de la extrusora así como el uso de equipos de refrigeración significativamente influenciada la calidad filamento y fueron escogidos cuidadosamente.
Ambos filamentos fueron procesados con éxito en el dispositivo de FFF. La adherencia entre las materias primas fue encontrada para ser muy bueno en estado verde (figura 7-9). Sólo algunos pequeños volúmenes eran visibles, que suelen ser para un proceso de vanguardia FFF (figura 13). Para cerrar estos volúmenes críticos con materiales termoplásticos, el dispositivo de FFF fue equipado con dos micro dosificación conocida de T3DP18,19,20,31,32, que permitir la deposición de gotitas solo para cerrar los volúmenes llenados insuficiente así como la fabricación de las estructuras más finas (figura 14 y 15).
Restricciones geométricas de la complejidad de parte o resolución son fuertemente dependientes de la configuración de la impresora el material continuo de flujo así como el software de corte utilizado. Las reglas de diseño y la apariencia resultante de la parte en la mayoría se encuentran a ser similar al uso de FFF de plásticos.
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 |
| Zirconia | TZ-3YS-E | Tosoh, Europe B.V. | |
| Stainless steel | UNS17400 -38 µm | Sandvik Osprey Ltd. | |
| Table of Devices and Software | |||
| slicing software | Simplify 3D | Simplify 3D, USA | |
| roller rotors mixer | Plasti-Corder PL2000 | Brabender GmbH & Co. KG, Germany | |
| 3D printer | model Ceram | HAGE, Austria | |
| cutting mill | SM200 | Retsch Gmbh Germany | |
| corotating extruder | ZSE 18 HP-48D | Leistrutz Extrusionstechnik GmbH, Germany | |
| laser measurementdevice | Diagnostic Laser 2010 | SIKORA AG, Germany | |
| capillary rheometer | Rheograph 2002 | Göttfert Werkstoff-Prüfmaschinen GmbH, Germany | |
| single screw extruder | FT-E20T-MP-IS | Dr. Collin GmbH, Germany | |
| tungsten furnace | Hochtemperatur-Wolframofen WOHV 250/300-1900V | MUT Advanced Heating GmbH | |
| debinding furnace | Retorten-Entbinderungsofen RRO 280 / 300-900V | MUT Advanced Heating GmbH | |
| attrition mill | PE 1.4 | Erich NETZSCH GmbH & Co. Holding KG, Germany | |
| PBM (planetary ball mill) | PM 400 | Retsch Gmbh, Germany |
References
- ISO/ASTM 52900:2015(en): manufacturing - General principles - Terminology. , (2015).
- Lakshminarayan, U., Orgrydiziak, S., Marcus, H. L. Selective laser sintering of ceramic materials. Proceedings of Solid Free-Form Symposium. , Austin, Texas, USA. 16-26 (1990).
- Lauder, A., Cima, M. J., Sachs, E., Fan, T. Three dimensional printing: Surface finish and microstructure of rapid prototyped components. Materials Research Society Symposium Proceedings. 249, 331-336 (1992).
- Chartier, T., Badev, A. Rapid Prototyping of Ceramics. Handbook of Advanced Ceramics 2nd ed. Somiya, S. , Elsevier Inc. Oxford, UK. (2013).
- Travitzky, N., et al. Additive Manufacturing of ceramic-based material. 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).
- Felzmann, R., Gruber, S., Mitteramskogler, G., Tesavibul, P., Boccaccini, A. R., Liska, R., Stampfl, J. Lithography-based additive manufacturing of cellular ceramic structures. Advanced Engineering Materials. 14, 1052-1058 (2012).
- Lichthärtende Keramikschlicker für die stereolithographische Herstellung von hochfesten Keramiken. (light curing ceramic suspensions for stereolithography of high-strength ceramics). European patent. Fischer, U. K., et al. , 2404590A1 (2012).
- Homa, J. Rapid Prototyping of high-performance ceramics opens new opportunities for the CIM industry. Powder Injection Moulding International. 6 (3), 65-68 (2012).
- Admatec unveils ADMAFLEX 130 high performance ceramic 3D printer. , Available from: http://www.3ders.org/articles/20160502-admatec-unveils-admaflex-130-high-performance-ceramic-3d-printer.html (2016).
- France's 3DCeram partners with Japanese firm Sinto to expand ceramic 3D printing in Asia and US. , Available from: https://www.3ders.org/articles/20171006-frances-3dceram-partners-with-japanese-firm-sinto-to-expand-ceramic-3d-printing-in-asia-and-us.html (2017).
- Scheithauer, U., et al. CerAMfacturing - Development of ceramic and multi-material components by additive manufacturing methods for personalized medical products. 3D printing in Medicine. 2 (1), (2017).
- Kieback, B., Neubrand, A., Riedel, H. Processing techniques for functionally graded materials. Materials Science and Engineering - A. 362 (1-2), 81-106 (2003).
- Scheithauer, U., et al. Ceramic-Based 4D Components: Additive Manufacturing (AM) of Ceramic-Based Functionally Graded Materials (FGM) by Thermoplastic 3D Printing (T3DP). Materials. 10 (12), 1368 (2017).
- Moritz, T., et al. Material- and process hybridization for multifunctional ceramic and glass components. Ceramic Applications. 5 (2), 66-71 (2017).
- Scheithauer, U., Schwarzer, E., Moritz, T., Michaelis, A. Additive Manufacturing of ceramic heat exchanger - Opportunities and limits of the Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM). Journal of Materials Engineering And Performance: Design, Process, Characterization, Evaluation. 27 (1), 14-20 (2018).
- Schwarzer, E., Götz, M., Markova, D., Stafford, D., Scheithauer, U., Moritz, T. Lithography-based ceramic manufacturing (LCM) - Viscosity and cleaning as two quality influencing steps in the process chain of printing green parts. Journal of the European Ceramic Society. 37 (16), 5329-5338 (2017).
- Scheithauer, U., Schwarzer, E., Richter, H. J., Moritz, T. Thermoplastic 3D Printing - An Additive Manufacturing Method for Producing Dense Ceramics. Journal of Applied Ceramic Technology. 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. Journal of Materials Research. 29 (17), 1931-1940 (2014).
- Scheithauer, U., et al. Additive Manufacturing of Metal-Ceramic-Composites by Thermoplastic 3D-Printing. Journal of Ceramic Science and Technology. 06 (02), 125-132 (2015).
- Agarwala, M. K., et al. Filament Feed Materials for Fused Deposition Processing of Ceramics and Metals. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. Bourell, D. L., Beamen, J. J., Marcus, H. L., Crawford, R. H., Barlow, J. W. 7, (1996).
- Kukla, C., et al. Fused Filament Fabrication (FFF) of PIM Feedstocks. Actas del VI Congreso Nacional de Pulvimetalurgia y I Congreso Iberoamericano de Pulvimetalurgia 2017, 1st ed. Herranz, G., Ferrari, B., Cabrera, J. M. , Asociación ManchaArte. 1-6 (2017).
- Agarwala, M. K., et al. Structural Ceramics by Fused Deposition of Ceramics. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. , (1995).
- Agarwala, M. K., et al. Fused Deposition of Ceramics and Metals: An Overview. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. Bourell, D. L., Beamen, J. J., Marcus, H. L., Crawford, R. H., Barlow, J. W. , (1996).
- Onagoruwa, S., Bose, S., Bandyopadhyay, A. Fused Deposition of Ceramics (FDC) and Composites. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. Bourell, D. L., Beaman, J. J., Crawford, R. H., Marcus, H. L., Wood, K. L., Barlow, J. W. , (2001).
- McNulty, T. F., Shanefield, D. J., Danforth, S. C., Safari, A. Dispersion of Lead Zirconate Titanate for Fused Deposition of Ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 82 (7), 1757-1760 (1999).
- Mutsuddy, B. C., Ford, R. G. Ceramic injection moulding. , Chapman & Hall. London. (1995).
- Edirisinghe, M. J., Evans, J. R. G. Compounding Ceramic Powders Prior to Injection Moulding. Proceedings of the British Ceramic Society. 38, 67-80 (1986).
- Suri, P., et al. Effect of mixing on the rheology and particle characteristics of tungsten-based powder injection molding feedstock. Materials Science and Engineering: A. 356, 337-344 (2003).
- Venkataraman, N., et al. Mechanical and Rheological Properties of Feedstock Material for Fused Deposition of Ceramics and Metals (FDC and FDMet) and their Relationship to Process Performance. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium 1999. , Austin, Texas, USA. 9-11 (1999).
- Scheithauer, U., et al. Investigation of Droplet Deposition for Suspensions Usable for Thermoplastic 3D Printing (T3DP). Journal of Materials Engineering and Performance. 27 (1), 44-51 (2017).
- Weingarten, S., et al. Multi-material Ceramic-Based Components - Additive Manufacturing of black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing (T3DP). Journal of Visual Experiments. , (2018).
