Multi-materiale keramiske-baserte komponenter-additiv produksjon av svart-hvitt Zirconia komponenter av termoplastisk 3D-utskrift (CerAM - T3DP)

Engineering
 

Summary

Her beskriver vi en protokoll for additively produksjon svart-hvitt zirconia komponenter av termoplastisk 3D-utskrift (CerAM - T3DP) og co sintring defekt-free.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Kombinere fordelene av additiv produksjon (AM) med fordelene av funksjonelt gradert materiale (FGM) til keramisk-basert 4D komponenter (tre dimensjoner for geometri og en grad av frihet om materielle egenskapene på hver posisjon) den Termoplastisk 3D-utskrift (CerAM - T3DP) ble utviklet. Det er en direkte AM-teknologi som lar AM multi-materiale komponenter. Å demonstrere fordelene av denne teknologien svart-hvitt zirconia komponenter ble additively produsert og co sintret defekt-free.

To forskjellige par svarthvite zirconia pulver ble brukt til å forberede ulike termoplastisk suspensjoner. Aktuelle dispensering parametere ble undersøkt for å produsere én-materiale test komponenter og justert for additiv produksjon av multi-farge zirconia komponenter.

Introduction

Gradert materiale (FGM) er funksjonelt materialer med en rekke egenskaper om overganger i mikrostrukturen eller den materielle1. Disse overganger kan være diskret eller kontinuerlig. Ulike typer FGM er kjent, som komponenter med materiale graderinger, gradert porøsitet samt flerfargede komponenter.

FGM-komponenter kan produseres av enkel konvensjonelle forme teknologier2,3,4,5,6,7 eller en kombinasjon av disse teknologiene, for eksempel ved-mold merking som en kombinasjon av tape støping og injeksjon molding8,9.

Additive industrien (AM) tillater for produksjon av komponenter med en hittil enestående handlingsfrihet design. Dette regnes toppmoderne forme teknologien for polymerer og metaller. Første kommersielle prosesser for behandling av keramikk er tilgjengelig10, og nesten alle kjente AM teknologi brukes for av keramikk i laboratorier over hele verden11,12,13.

Hvis du vil kombinere fordelene med AM med fordelene av Kjønnslemlestelse keramisk-basert 4D komponenter (tre dimensjoner for geometri og en grad av frihet om materielle egenskapene på hver posisjon) termoplastisk 3D-utskrift (CerAM - T3DP) har blitt utviklet ved Fraunhofer IKTS i Dresden, Tyskland, som en direkte AM-teknologi. Dette gjør AM multi-materiale komponenter14,15,16,17. CerAM - T3DP er basert på selektiv avsetning av enkelt dråper av partikkel fylt termoplastisk suspensjoner. Ved å benytte flere dosering systemer, ulike termoplastisk suspensjoner kan settes ved siden av hverandre lagvis å produsere bulk materiale og egenskapen graderinger i additively produserte grønne komponenter18. I motsetning til indirekte AM prosesser, som tidligere avsatt materialer stivne selektivt over hele laget, av CerAM - krever T3DP prosessen ikke den ekstra innsatsen for å fjerne ikke-befestet materiale før deponering av neste materialet, gjør det mer egnet for AM multi-materiale komponenter.

Selv om bruk av CerAM - T3DP prosess kan AM av Kjønnslemlestelse og realisering av keramikk-baserte komponenter med enestående egenskaper, det er utfordringer å overvinne om nødvendig termisk behandling etter AM prosessen, for å få en Multi-materiale sammensatt. Spesielt må de sammenkoblede pulver i komposittmateriale være vellykket co sintret, som sintring komponentene må utføres ved samme temperatur og atmosfære. Derfor er det en forutsetning for alle materialer å ha en sammenlignbare sintring temperaturen og atferd (starter temperaturen sintring, krymping virkemåte). For å unngå kritiske mekanisk stress under nedkjøling, må koeffisient av termisk ekspansjon av alle materialer være omtrent lik11.

Kombinasjonen av materialer med ulike egenskaper i én komponent åpner døren til komponenter med enestående egenskaper for mange programmer. Eksempel rustfritt stål-zirconia kompositter kan brukes som skjærende verktøy, slitesterkt komponenter, energi og brenselcelle komponenter eller bipolar kirurgiske verktøy19,20,21,22, 23,24. Slike komponenter kan bli realisert av CerAM - T3DP14,15,16,17, også, etter justering av sintring virkemåten av en spesiell fresing prosessen16.

Keramisk-basert FGM med en gradert porøsitet som tett og porøs zirconia kombinere svært gode mekaniske egenskaper i tette områder med høy aktiv overflate av porøse områder. Slik som komponentene kan produseres additively av CerAM - T3DP18.

I dette papiret undersøke vi AM zirconia komponenter med to forskjellige farger i én komponent av CerAM - T3DP. Vi valgte hvite og svarte zirconia fordi denne kombinasjonen i en keramisk komponenten er interessant for smykker programmer. Etterspørselen av individualisert luksusvarer er svært høy og fortsatt økende. Teknologi som tillater AM keramisk-basert multi-materiale komponenter med en høy oppløsning og svært god overflateegenskaper vil tillate for å tilfredsstille dette behovet. Keramikk som zirconia brukes for eksempel til å produsere se komponenter som ur tilfeller og rammer eller for ringene på grunn av den spesielle haptics, blikk, hardhet og lavere vekt sammenlignet med metaller.

Protocol

1. termoplastisk suspensjon for CerAM - T3DP

  1. Utvalg av pulver
    1. For utarbeidelsen av de svarte termoplastisk suspensjoner bruke svart zirconia pulver zirconia svart - 1 og zirconia svart - 2.
    2. For utarbeidelsen av de hvite termoplastisk suspensjoner bruke zirconia hvit - 1 og zirconia hvit - 2.
      Merk: Produsenten av zirconia svart - 2 bruker pigmenter (4,2 wt.-%) for farging av zirconia og sier også at begge pulver har samme sintring atferd. I tillegg høy andel av alumina (20.43 wt.-%) bidrar til den hvite fargen på zirconia hvit - 2. Den pulver zirconia svart - 1 og zirconia hvit - 1 har en annen sammensetning og krever derfor en annen sintring temperaturen for fullstendig densification. I motsetning til zirconia hvit - 1består zirconia svart - 1 minst 5 wt.-% pigmenter. Den anbefalte sintring temperaturen er 1400 ° C for zirconia svart - 1 og 1350 ° C i zirconia hvit - 1.
  2. Karakterisere pulver om form, areal og partikkel størrelsesDistribusjon.
    Merk: Electron skanning mikroskopi bilder har blitt brukt til å beskrive form av partikler. Partikkel størrelsesDistribusjon av utnyttet pulver ble målt ved en laser Diffraksjon metode (laser diffractometer). Målene for bestemte overflaten egenskapene til de brukte pulver er gitt av produksjon.
  3. For utarbeidelse av ulike zirconia suspensjoner smelte en blanding av parafin og bivoks ved en temperatur på 100 ° C i en Oppvarmbar dissolver og homogenize polymer blandingen.
    1. Deretter Legg pulveret i flere trinn til et pulver innhold av 40 vol.%.
    2. Homogenize pulver-polymer-blandingen ved røring 2 h på 100 ° C. Kontroller at alle suspensjoner har samme pulver innhold (40 vol.%).
  4. Karakteristikk av suspensjoner
    1. Kjennetegner reologiske virkemåten til smeltet suspensjon bruker en rheometer for skjær priser mellom 0-5000/s for forskjellige temperaturer mellom 85 ° C og 110 ° C.
      Merk: Vi brukt en rheometer fra 25 ° c. 200 ° c med en plate/plate måle system (25 mm diameter). Dreiemoment ble målt og dynamisk viskositet ble beregnet.
    2. Tegne på dynamisk viskositet som funksjon av skjær rate og pass på at dynamisk viskositet er under 100 Pa·s for en skjær rate på 10/s, under 20 Pa·s for en skjær hastighet på 100/s og under 1 Pa·s for en skjær rate på 5000/s eller øke den temperaturen innenfor det tillatte området.
    3. Endre suspensjon sammensetning ved å legge polymer blanding hvis den dynamisk viskositeten er for høyt for en temperatur på 110 ° C.

2. produksjon av enkelt- og multi-materiale komponenter av CerAM - T3DP

  1. Brukte enheter
    Figur 1 viser en CAD-tegning av den brukte CerAM - T3DP-enhet med en profil skanner og tre forskjellige mikro dispensing systemer, som kan jobbe samtidig eller vekselvis. Bruke to av dem til å lage svart-hvitt-komponenter.
    1. Angi avsetning av dråpene til en frekvens 100/s og aksene å gå med en maksimal hastighet på 20 mm/s.
  2. Undersøkelse av avsetning parametere
    Undersøke påvirkning av avsetning parametere (jobber fart av dispensering mikroanlegget temperaturer på suspensjon reservoaret og munnstykke; hastighet av aksen) i den resulterende dråper (figur, volum, homogenitet) eller slippverktøy egenskaper kjeder (figur, volum, homogenitet).
    1. Variere parameterne avsettelse og innskudd enkelt dråper som slippverktøy kjeder med forskjellige frekvenser og akser hastigheter for deponering.
      Merk: Påvirkning av parameterne dispenser på egenskapene til materialet har vært diskutert før25. Parameteren verdien grenser har bare blitt bestemt empirisk.
    2. Kontroller at at variansen i slippverktøy kjede høyden og bredden ikke må overstige 3%. Variere det parametere pulsbredde, slippverktøy fusion faktor (d-VIPPEN) og ekstrudering bredde (kutting parameter) å kompensere diameter forskjeller opp til 100 mikron og høyde forskjeller opp til 50 mikron.
      Merk: Det er ikke nødvendig og sannsynligvis ikke mulig å realisere perfekt formet halvkuler som enkelt dråper, men du må sørge for at homogenitet av slippverktøy dannelsen er svært høy garantere en homogen bygning komponentene.
    3. Gjenta dette trinnet med ulike opprinnelige parametere å finne et parameter sett som gir mest homogen slippverktøy figuren med hensyn til slippverktøy diameter, bredde og høyde.
  3. Produksjon av enkelt-materiale test komponenter
    1. Bruk en generert 3D modell av den ønskede delen, og lagre filen som STL eller AMF-filformatet.
    2. Bruke et kutting program (f.eks Slicerstil 1 eller Slicerstil 2) til å generere den tilsvarende G-koden. Angi egenskaper for slippverktøy figuren i trinn 2.2.
    3. Last opp G-koden og fylle de prosessen parameterne av CerAM - T3DP-enhet. Satt av CerAM - T3DP-enhet for parameterne fikk i trinn 2.2 som svarer til slippverktøy figuren til sliceren. Start programvaren for enheten for å starte jobben bygningen.
      Merk: Det er gunstig å produsere visse testprøvene før bygge den ønskede delen eller bruker nye suspensjoner.
  4. CerAM - T3DP multi-materiale komponenter
    1. Utfør trinn 2.2 for hvert materiale involvert.
    2. Velg dispensering parametere for begge materialene som har omtrent samme slippverktøy egenskaper.
    3. Justere lag høydene ved å endre avstanden mellom enkelt dråpene og resulterende overlappingen å unngå forskjeller i høyder for forskjellige materialer, som kan resultere i store feil og defekte komponenter.
      Merk: Ved å redusere avstanden mellom to dråper og tilknyttede større overlappingen, bredden og høyden av slippverktøy kjeden øker på grunn av nesten konstant antall enkelt dråpene. Det kan være observert at slippverktøy kjeden bredden øker raskere enn slippverktøy kjeden høyden.
    4. Bruk en generert 3D modell av den ønskede delen, og lagre filen som AMF-filer. Hvis sliceren kan flere komponent områder også lagres i STL-filformat.
    5. For å skrive ut multi-materiale komponenter, tilordne tilsvarende komponenten områder til det tilknyttede materialet i kutting programvaren ved å tildele en tilsvarende dispensering mikrosystem for hvert materiale.
    6. Generere G-kodene for hvert materiale ved hjelp av slicer-programvaren.
    7. Last opp G-koden og fylle de prosessen parameterne av CerAM - T3DP-enhet. Satt av CerAM - T3DP-enhet for parameterne fikk i trinn 2.2 som svarer til slippverktøy figuren til sliceren. Start programvaren for enheten for å starte jobben bygningen.

3. Co-Debinding og co sintring av enkelt - og Multi - anti-Material komponenter

  1. Debind grønn prøvene i separate fremgangsmåten.
    1. Først, ta prøvene i løs bulk coarse-grained alumina pulver (pulver bed) strukturelt støtte prøver også å sikre en homogen temperatur distribusjon og å fremme fjerning av dokumentordneren ved kapillære krefter.
    2. Utføre en debinding med en rate svært lav varme i en ovn (debinding ovnen) under luft-atmosfære opptil 270 ° C. Angi oppvarming hastigheten til 4 K/t for å sikre en defekt-free debinding.
  2. Etter dette første debinding trinnet nøye fjerne sengetøy pulver for eksempel med en fin børste. Sett prøvene på alumina ovn møbler.
  3. Bruke andre debinding trinnet under luft-atmosfære opptil 900 ° C (12 K/h) i samme ovn.
    Merk: Alle gjenværende organisk bindemiddel materialer ble termisk fjernet, mens i på samme trinn en pre sintring zirconia partikler ble igangsatt for å muliggjøre påfølgende overføring av prøvene til en sintring ovn.
  4. Endelig sinter prøvene under luft-atmosfære ved 1350 ° C (180 K/h) 2 h i et egnet ovn (sintring ovn). Karakterisere svinn av komponentene av lengdemåling i tre dimensjoner, og kontroller at det er ca 20% for hver retning.

4. karakterisering av enkelt - og Multi - anti-Material komponenter

  1. Skjær prøvene riktig og polerer overflaten ved hjelp ceramographic metoder.
  2. Bruke undersøkelser på mikrostrukturen ved hjelp av feltet utslipp Scanning elektronmikroskop (FESEM).
  3. Visuelt inspisere porøsitet av to faser og på grensen grensesnittet av brukte materialer. For å få en mer detaljert resultatet utføre en grensesnitt-analyse, f.eks ved FESEM og påfølgende bildet analyse for å undersøke porøsitet innenfor de sintered mikrostrukturen.
    Den målrettet porøsitet er under 1%. Hvis porøsitet er for høy, variere deponering parameteren stiger (2.2) og/eller regimet av termisk behandling (3).

Representative Results

For produksjon av målt komponenter, har bare pulver av samme produsent vært kombinert for hver multi-materiale komponent. Eksperimenter med pulver av ulike produserer i én komponent er fortsatt pågår. For dette formålet må ulike krympe priser vurderes.

Måling resultatet av gjennomsnittlig partikkel diameter (d50) zirconia hvit - 1 etter spredning var 0.37 µm. Produsenten sier en faktisk partikkelstørrelse på 0.04 µm (en størrelsesorden mindre). Gjennomsnittlig partikkelstørrelse (d50) på zirconia svart - 1 er 0,5 µm. figur 2 (A) viser FESEM analyse av zirconia hvit - 1 og figur 2 (B) en FESEM-bilde av overflaten av en granulate i detalj. Figur 2 (C) og figur 2 (D) viser det samme for zirconia svart - 1. Begge ubehandlet pulver består av store sfærisk granulater (diameter opp til 100 µm) som er typisk for tørr trykke råvarer. FESEM-bilder av granulate overflater viser primære partikler av zirconia hvit - 1 (figur 2 (B)) og zirconia svart - 1 (figur 2 (D)) med en faktisk partikkelstørrelse på nesten 0.04 µ m.

Figur 2 (E) - 2 (H) viser de FESEM-bildene av zirconia hvit - 2 og zirconia svart - 2. De målte gjennomsnittlig partikkelstørrelser (d50) zirconia pulver zirconia hvit - 2 og zirconia svart - 2 er 0,27 µm og 0,25 µm, henholdsvis, der partikler er sfærisk granulater med diameter opp til 100 µm (figur 2 (E) og figur 2 (G)). Størrelsen på hvitt pulver primære partiklene er under 0,1 µm (figur 2 (F)). Svart pulver primære partiklene er opptil 0,5 µm i diameter (figur 2 (H)).

Figur 3 (A) viser den dynamiske viskositeten av suspensjoner basert på zirconia hvit - 1 og zirconia svart - 1 som en funksjon av skjær rate og avhengighet av temperaturen (85 ° C og 100 ° C). Begge suspensjoner viser et skjær tynning atferd uavhengig temperaturen.

Tabell 1 oppsummerer den målte viskositet hjuloppheng på ulike skjær priser og forskjellige temperaturer.

Figur 3 (B) viser reologiske virkemåten til suspensjoner basert på zirconia hvit - 2 og zirconia svart - 2 (85 ° C og 100 ° C). Alle grafene viser et skjær tynning atferd. Tabell 2 oppsummerer den målte viskositet hjuloppheng på ulike skjær priser og forskjellige temperaturer.

I tillegg til skjær rate-kontrollerte mål, ble langsiktige mål utført. Figur 3 (C) viser kurset for dynamisk viskositet i de langsiktige målene for alle fire suspensjoner frekvensen konstant skjær av 10/s over 2 timer. Mens den dynamiske viskositeten av hvite zirconia suspensjoner (zirconia hvit - 1 og zirconia hvit - 2) er nesten konstant (tabell 3), dynamisk viskositet tendens til å redusere noe av den svarte zirconia (zirconia svart - 1 og zirconia svart - 2).

Etter empirisk fastsettelse av parameterne dosering produksjon av enkelt komponent, tre-dimensjonale strukturer ble overkommelig for hver suspensjon. Figur 4 (A) viser en kompleks sintered test struktur basert på suspensjon av zirconia hvit - 1 og additively produsert av CerAM - T3DP. Den samme testen strukturen additively produsert av CerAM - T3DP og zirconia svart - 1-suspensjon er vist i Figur 4 (B).

Figur 4 (C) viser en sintered test struktur basert på zirconia suspensjoner av den zirconia hvit - 2, Figur 4 (D) en sintered test struktur basert på zirconia svart - 2. Etter produksjonen av én farge komponentene fant produksjon av flere fargekomponenter sted. Figur 4 (D) til 4 (F) viser noen sintret multi-farge zirconia komponenter additiv produksjon ved hjelp av CerAM - T3DP.

Figur 5 (A) og figur 5 (B) vise FESEM-bilder av mikrostruktur multi-farge komponenter med klart kan skilles grensesnitt mellom de to suspensjoner basert på zirconia pulver zirconia hvit - 1 (øverst) og zirconia svart - 1 (nederst).

En energi-dispersiv X-ray spectroscopic analyse (EDX) viste at mikrostrukturen sintered zirconia svart - 1 mer alumina skorpe oppstår (tall 6 (- vekselstrøm)). Evaluere sammensetningen av den og zirkonia svart - 1-mikrostruktur spesielt i mørke områder i mer detalj videre EDX undersøkelser fant sted (tall 6 (D-G)) som viste nedbør av alumina (figur 6 (E) ).

Figure 1
Figur 1: CAD-tegning av CerAM brukt - T3DP-enhet med tre mikro dispensering enheter og en overflate skanneren. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: FESEM-bilde av brukte zirconia granulater. (A) zirconia hvit - 1 granulater - oversikt og (B) overflate; (C) zirconia svart - 1 granulater - oversikt og (D) overflate; (E) zirconia hvit - 2 granulater - oversikt og (F) overflate; (G) zirconia svart - 2 granulater - oversikt og (H) overflate.

Figure 3
Figur 3: reologiske virkemåten til termoplastisk suspensjoner. (A) basert på zirconia pulver zirconia hvit - 1 og zirconia svart - 1; (B) basert på zirconia pulver zirconia hvit - 2 og zirconia svart - 2; (C) sammenligning av alle fire suspensjoner under et langsiktig mål på konstant skråstille rate på 10/s.

Figure 4
Figur 4: Sintered enkelt - og multi - anti-Material teste strukturer additively produsert av T3DP. (A) basert på zirconia hvit - 1 -suspensjon; (B) basert på zirconia svart - 1 -suspensjon; (C) basert på zirconia hvit - 2 -suspensjon; (D) basert på zirconia svart - 2 -suspensjon; (E) basert på zirconia hvit - 1 - og zirconia svart - 1 -suspensjon; (F) basert på zirconia hvit - 2- og zirconia svart - 2 - oppheng - ramme-lignende struktur og (G) ring-lignende struktur.

Figure 5
Figur 5: FESEM-bilder. FESEM-bilder av tverrsnitt på grensesnittet mellom sintered zirconia hvit - 1 (øverst) og zirconia svart - 1 (nederst); (A) planar grensesnitt og (B) innvevd grensesnitt

Figure 6
Figur 6: Resultatene av EDX målinger på sintered zirconia hvit - 1 / zirconia svart - 1 -grensesnitt. (A) oversikt om måling felt 1 + 2 og (D) 3-5; resultatene av måling (B) felt 1, (C) feltet 2, (E) feltet 3, (F) feltet 4 og (G) feltet 5.

Figure 7
Figur 7: masse endre zirconia hvit - 1 - og zirconia svart - 1 -suspensjon under termisk spaltning Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Table 1
Tabell 1: dynamisk viskositet av termoplastisk suspensjoner basert på zirconia pulver zirconia hvit - 1 og zirconia svart - 1. Klikk her for å laste ned denne filen.

Table 2
Tabell 2: dynamisk viskositet av termoplastisk suspensjoner basert på zirconia pulver zirconia hvit - 2 og zirconia svart - 2. Klikk her for å laste ned denne filen.

Table 3
Tabell 3: dynamisk viskositet av alle fire suspensjoner under langsiktige målet med en konstant skjær rate på 10/s. Klikk her for å laste ned denne filen.

Discussion

Karakterisering av reologiske virkemåten til smeltet suspensjon på høy skjæring priser til 5000/s er nødvendig siden vurdering av betingelsene i brukte mikro dispensing systemer (geometri av stempelet og munnstykke kammer, hastighet av stempelet) avslørte at skjær priser på 5000/s og høyere genereres i mikro dispensing systemet under deponering prosessen25.

Etterforskningen av utskriftsparametrene bør gjøres for å hjelpe med kalibrering av dispenser for produksjon av multi-materiale komponenter. Påvirkning av parameterne dispenser på egenskapene til materialet har vært diskutert i25. Parameteren verdien grenser har bare vært determent empirisk. Erfaring viser så langt at variansen i slippverktøy kjeden høyden og bredden ikke må overstige 3%. Diameter forskjeller opp til 100 mikron og høyde forskjeller til 50 mikron kan kompenseres av parametere pulsbredde, slippverktøy fusion faktor (d-VIPPEN) og ekstrudering bredde (kutting parameteren).

Det er viktig for utskriftsprosessen at lag høydene av forskjellige materialer justeres til hverandre ved å endre avstanden mellom de enkelt dråpene, siden det ville resultere i en ujevnheter i et lag hvis høydene av forskjellige materialer ikke passer. En ujevnheter fører til store feil og defekte komponenter. Ved å redusere avstanden mellom to dråper og tilknyttede større overlappingen, bredden og høyden av slippverktøy kjeden øker på grunn av nesten konstant antall enkelt dråpene. Det kan være observert at slippverktøy kjeden bredden øker raskere enn slippverktøy kjeden høyden. Det er ikke nødvendig og sannsynligvis ikke mulig å realisere perfekt formet halvkuler som enkelt dråper, men du må kontrollere at ved å bestemme montering dispensing parametere at homogenitet av slippverktøy dannelsen er svært høy garantere en homogen byggingen av komponentene.

Målingen på 85 ° C simulerer reologiske virkemåten til suspensjoner i fôring patronen av dispensering mikroanlegget. Over 90 ° C begynner nedbryting av bindemiddel komponentene (figur 7). Alle suspensjoner viser nesten tilsvarende oppførsel. Brukte munnstykke temperaturen av dispensering mikroanlegget var 100 ° C. Denne temperaturen fremmer slippverktøy dannelsen på grunn av lav viskositet skyldes økende suspensjoner temperaturen mens bestått munnstykket. På grunn av korte holdetiden hjuloppheng i munnstykket ved denne temperaturen påvirker nedbryting ikke den materielle problemet betydelig.

Multi-farge komponentene kan være sintret nesten feilfrie, men for de zirconia svart - 2 og zirconia hvit - 2 pulver fargen på den hvite fasen omgjort til rosa. Årsaken for fargeendring er diffusjon prosesser mellom forskjellige materialer under sintring. Dette er bare en effekt på overflaten kan fjernes med en sliping trinnet. Men dette er svært utfordrende for komplekse strukturer laget av AM teknologier.

I multi-farge komponentene plan og sammenvevde grensen grensesnitt utviklet mellom de to forskjellige komposisjonene. Dermed uansett slipp-bundet avsetning av materialet, kan arrangement av de forskjellige microstructures realiseres meget presist. Videre kan slippverktøy figuren utnyttes for å øke grensen grensesnittet mellom to materialer. Så langt er bare diskret materiale overganger produsert. Fremtidig forskning kan også innebære produksjon av gradvise endringene mellom materialer.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Dette prosjektet har mottatt finansiering fra EUs horisonten 2020 forskning og innovasjon programmet under Grant avtalen ingen 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics