Multi materielle keramik-baserede komponenter – Additive Manufacturing af sort-hvide Zirconia komponenter af termoplastisk 3D-udskrivning (CerAM - T3DP)

Engineering
 

Summary

Her beskriver vi en protokol for additively produktion sort-hvide zirconia komponenter af termoplastisk 3D-udskrivning (CerAM - T3DP) og co sintring fejlfri.

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

At kombinere ydelser af tilsætningsstof fremstillingsindustrien (AM) med fordelene af funktionelt Graded materialer (FGM) til keramik-baserede 4D komponenter (tre dimensioner for geometri og en grad af frihed om materialeegenskaber på hver position) den Termoplastisk 3D-udskrivning (CerAM - T3DP) blev udviklet. Det er en direkte AM-teknologi, som giver mulighed for multi materialekomponenter AM. At demonstrere fordelene ved denne teknologi sort-hvide zirconia komponenter blev additively fremstillet og co sintret fejlfri.

To forskellige par sorte og hvide zirconia pulvere blev brugt til at forberede forskellige termoplastiske suspensioner. Passende udlevering parametre blev undersøgt for at fremstille enkelt-materiale test komponenter og justeret for tilsætningsstoffet fremstilling af multi-farve zirconia komponenter.

Introduction

Funktionelt Graded materialer (FGM) er materialer med en lang række egenskaber vedrørende overgange i mikrostrukturen eller i den materielle1. Disse overgange kan være diskrete eller kontinuerlig. Forskellige slags FGM er kendt som komponenter med materielle forløb samt sorterede porøsitet og multi-farvede komponenter.

FGM-komponenter kan fremstilles af enkelt konventionelle forme teknologier2,3,4,5,6,7 eller af en kombination af disse teknologier, for eksempelvis ved-skimmel mærkning som en kombination af tape trykstøbning og sprøjtestøbning8,9.

Additive manufacturing (AM) giver mulighed for fremstilling af komponenter med en hidtil uhørt frihed i design. Dette anses for den avancerede forme teknologi for polymerer og metaller. Første kommercielle processer for forarbejdning af keramik er tilgængelige10, og næsten alle kendte AM teknologier bruges for AM af keramik i laboratorier over hele verden11,12,13.

For at kombinere fordelene ved AM med fordelene af FGM keramik-baserede komponenter, 4D (tre dimensioner for geometri og en grad af frihed om materialeegenskaber på hver position) termoplastisk 3D-udskrivning (CerAM - T3DP) er blevet udviklet på Fraunhofer IKTS i Dresden, Tyskland, som en direkte AM teknologi. Dette giver mulighed for AM multi materialekomponenter14,15,16,17. CerAM - T3DP er baseret på selektiv aflejring af enkelt dråber af partikel fyldt termoplastisk suspensioner. Ved at udnytte flere dosering systemer, forskellige termoplastiske suspensioner kan deponeres ved siden af hinanden lag på lag til at producere hovedparten materiale samt ejendom forløb inden for de additively fremstillede grønne komponenter18. I modsætning til indirekte AM processer, hvor tidligere deponerede materialer størkne selektivt over hele laget, CerAM - kræver T3DP processen ikke en yderligere indsats for at fjerne enhver ikke-solidificeret materiale forud for deposition af den næste materiale, gør den mere velegnet til AM af multi materialekomponenter.

Selvom udnytte CerAM - T3DP proces giver AM af FGM og realiseringen af keramik-baserede komponenter med enestående egenskaber, der er udfordringer at overvinde vedrørende den nødvendige termiske behandling efter AM-processen for at opnå en multi materielle sammensat. Især skal de parrede pulver i komposit-materiale være succesfuldt Co sintret, som sintring af komponenterne, der skal udføres ved samme temperatur og atmosfære. Derfor er det en forudsætning for alle materialer, har en sammenlignelig sintring temperaturen og adfærd (Start temperatur af sintring, svind adfærd). For at undgå kritiske mekanisk stress under afkøling, har koefficienten for termisk udvidelse af alle materialer til at være cirka lige11.

Kombinationen af materialer med forskellige egenskaber i et element, der åbner døren til komponenter med enestående egenskaber for mangfoldige programmer. F.eks. rustfrit stål-zirconia kompositter kan bruges som skærende værktøjer, slidstærke komponenter, energi og brændselscelle komponenter eller bipolar kirurgiske værktøjer19,20,21,22, 23,24. Sådanne komponenter kunne realiseres ved CerAM - T3DP14,15,16,17, også efter justering af sintring adfærd med en særlig fræsning proces16.

Keramik-baserede FGM med en gradueret porøsitet som tætte og porøse zirconia kombinere meget gode mekaniske egenskaber i de tætte områder med en høj aktiv overfladen af de porøse områder. Lignende komponenter kan fremstilles additively af CerAM - T3DP18.

I dette papir undersøger vi AM af zirconia komponenter med to forskellige farver i én komponent af CerAM - T3DP. Vi valgte hvid og sort zirkonia, fordi denne kombination i en keramisk komponent er interessant for smykker applikationer. Efterspørgsel af individualiserede luksusvarer er meget stor og stadig stigende. Teknologier, der tillader AM af keramik-baseret multi materielle komponenter med en høj opløsning og meget god overflade egenskaber vil gøre det muligt for at opfylde dette krav. Keramik som zirconia bruges f.eks til at producere ur komponenter som ur tilfælde og kanter eller ringe på grund af den særlige haptics, blik, hårdhed og lavere vægt i forhold til metaller.

Protocol

1. termoplastisk Suspension for CerAM - T3DP

  1. Udvalg af pulvere
    1. Forberedelsen af de sorte termoplastisk suspensioner bruge sorte zirconia pulvere zirconia sort - 1 og zirconia sort - 2.
    2. Forberedelsen af de hvide termoplastisk suspensioner bruge zirconia hvid - 1 og zirconia hvid - 2.
      Bemærk: Producenten af zirconia sort - 2 bruger pigmenter (4,2 wt.-%) til farvning af zirconia og også, at begge pulver har den samme sintering adfærd. Desuden, den høje procentdel af aluminiumoxid (20.43 wt.-%) bidrager til den hvide farve af zirconia hvid - 2. Pulvere zirconia sort - 1 og zirconia hvid - 1 har en anden sammensætning og dermed kræver en anderledes sintring temperaturen for komplet fortætning. I modsætning til zirconia hvid - 1består zirconia sort - 1 på de fleste 5 wt.-% pigmenter. De anbefalede sintring temperaturen er 1400 ° C for zirconia sort - 1 og 1350 ° C for zirconia hvid - 1.
  2. Karakterisere pulvere med hensyn til form, areal og partikelstørrelsesfordeling.
    Bemærk: Elektron scanning mikroskopi billeder har været anvendt til at karakterisere form af partikler. Partikelstørrelsesfordeling de udnyttede pulvere blev målt af en laser diffraktion metode (laser diffractometer). Målinger til de specifikke overflade egenskaber af de anvendte pulvere er tilvejebragt af fremstillingen.
  3. Forberedelsen af de forskellige zirconia suspensioner smelte en blanding af paraffin og bivoks ved en temperatur på 100 ° C i en opvarmet dissolver og homogeniseres polymer blanding.
    1. Derefter tilsættes pulveret i flere trin at nå frem til et pulver indhold af 40 vol.%.
    2. Homogeniseres pulver-polymer-blanding ved omrøring i 2 timer ved 100 ° C. Sikre, at alle suspensioner har det samme pulver indhold (40 vol.%).
  4. Karakterisering af suspensioner
    1. Karakterisere de rheologiske opførsel af smeltet suspensionen ved hjælp af en rheometer for shear priser i et interval mellem 0-5.000/s for forskellige temperaturer i et interval mellem 85 ° C og 110 ° C.
      Bemærk: Vi brugte en rheometer justerbar mellem 25 ° C til 200 ° C med en plade/plade målesystem (25 mm i diameter). Drejningsmomentet blev målt, og den dynamiske viskositet blev beregnet.
    2. Plot dynamisk viskositet som funktion af shear rate og sørg for, at den dynamiske viskositet er under 100 Pa·s for en shear rate på 10/s, under 20 Pa·s for en snitte satsen for 100/s og under 1 Pa·s for en snitte satsen for 5.000/s eller stigning i temperatur inden for det tilladte interval.
    3. Ændre suspension sammensætning ved at tilføje polymer blanding, hvis den dynamiske viskositet er for høj selv for en temperatur på 110 ° C.

2. fremstilling af enkelt og multi materielle komponenter af CerAM - T3DP

  1. Anvendte enhed
    Figur 1 viser en CAD-tegning af den anvendte CerAM - T3DP-enhed med en profil scanner og tre forskellige mikro udlevering systemer, der kan arbejde samtidig eller skiftevis. Bruge to af dem til at producere sort-komponenter.
    1. Indstille aflejring af dråber til en frekvens op til 100/s og akser til at flytte med en maksimal hastighed på 20 mm/s.
  2. Undersøgelse af deposition parametre
    Undersøge deposition parametre (arbejder hastigheder af dosisdispensering mikrosystemet; temperaturer på suspension reservoir og dyse; hastighed af aksen) indflydelse på egenskaberne af den resulterende dråber (form, volumen, homogenitet) eller slipværktøj kæder (form, volumen, homogenitet).
    1. Variere deposition parametre og deponere enkelt dråber samt droplet kæder ved hjælp af forskellige frekvenser og akser hastigheder for deposition.
      Bemærk: Dispenser parametres betydning på egenskaberne af materialerne, der har været diskuteret før25. Parameter værdi grænserne er kun blevet fastsat empirisk.
    2. Sørg for at at variansen i droplet kæde højde og bredde ikke må overstige 3%. Varierer parametre pulse bredde, droplet fusion faktor (DFF) og ekstrudering bredde (udskæring parameter) at kompensere diameter forskelle op til 100 mikron og højde forskelle op til 50 mikrometer.
      Bemærk: Det er ikke nødvendigt og nok ikke muligt at realisere perfekt formede hjernehalvdele som enkelt dråber, men du skal sørge for, at homogeniteten af droplet-dannelse er meget høj til at sikre en homogen opbygning af komponenter.
    3. Gentag dette trin med forskellige oprindelige parametre til at finde et parametersæt, som giver den mest homogene droplet form dråbe diameter, bredde og højde.
  3. Fremstilling af single-materiale test komponenter
    1. Bruge en genereret 3D model af de ønskede del og Gem filen som STL eller AMF filformat.
    2. Bruge en udskæring program (f.eks. Slicer 1 eller Slicer 2) til at generere den tilsvarende G-code. Angive egenskaber for figuren droplet erhvervet i trin 2.2.
    3. Uploade G-code og fylde procesparametre til CerAM - T3DP-enhed. Indstille CerAM - T3DP-enhed for de parametre, der er opnået i skridt, 2,2 der svarede til figuren slipværktøj til udsnitsværktøjet. Start enhedssoftwaren for at begynde bygningen job.
      Bemærk: Det er gavnligt at fremstille visse prøver før opbygningen af den ønskede del eller ved hjælp af nye suspensioner.
  4. CerAM - T3DP af multi materialekomponenter
    1. For hvert materiale involveret udføre trin 2.2.
    2. Vælg udlevering parametre for begge materialer, som har cirka de samme droplet egenskaber.
    3. Justere lag højder ved at ændre afstanden mellem de enkelte dråber og den resulterende overlapning at undgå forskelle i højder for de forskellige materialer, hvilket kan resultere i store defekter og defekte komponenter.
      Bemærk: ved at reducere afstanden mellem to dråber og de tilknyttede større overlap, bredde og højde af droplet kæde stiger på grund af den næsten konstant volumen af de enkelte dråber. Det kan konstateres, at droplet kæde bredde stiger hurtigere end droplet kæde højde.
    4. Bruge en genereret 3D model af de ønskede del og Gem filen som AMF filer. Hvis det understøttes af udsnitsfilteret flere komponent områder kan også gemmes i STL filformat.
    5. For at udskrive flere materialekomponenter, tildele tilsvarende komponent områder til de tilhørende materiale i den udskæring software ved at tildele en tilsvarende mikro udlevering system for hvert materiale.
    6. Generere G-koder for hvert materiale ved hjælp af slicer software.
    7. Uploade G-code og fylde procesparametre til CerAM - T3DP-enhed. Indstille CerAM - T3DP-enhed for de parametre, der er opnået i skridt, 2,2 der svarede til figuren slipværktøj til udsnitsværktøjet. Start enhedssoftwaren for at begynde bygningen job.

3. Co-afbindingsgraden og co sintring af Single - og Multi - anti-material komponenter

  1. Debind grønne prøverne i følgende separate trin.
    1. Første, sætte prøverne i en løs hovedparten af grovkornede alumina pulver (pulver seng) til strukturelt støtte prøverne for at sikre en ensartet temperatur fordeling og at fremme fjernelsen af bindemidlet materialer af kapillære kræfter.
    2. Udfører en afbindingsgraden med en meget lav varme i en ovn (afbindingsgraden ovn) under air-stemning op til 270 ° C. Angiv den varme sats til 4 K/h for at sikre en fejlfri afbindingsgraden.
  2. Efter denne første emneprøver trin forsigtigt fjerne sengetøj pulver for eksempel med en fin børste. Prøveemner på alumina ovn møbler.
  3. Anvende en anden emneprøver trin under air-stemning op til 900 ° C (12 K/h) i den samme ovn.
    Bemærk: Alle resterende organisk bindemiddel materialer termisk fjernet, mens inden for i det samme skridt en pre sintring af zirconia partikler blev indledt for at muliggøre den efterfølgende overførsel af prøverne til en sintering ovn.
  4. Endelig sinter prøver under air-atmosfære på 1.350 ° C (180 K/h) i 2 timer i en passende ovn (sintering ovn). Karakterisere svind af komponenter af længde måling i tre dimensioner og sørg for, at det er omkring 20% for hver retning.

4. Karakteristik af Single og Multi anti-material komponenter

  1. Skær prøverne korrekt og polere overfladen med ceramographic metoder.
  2. Anvende undersøgelser på mikrostrukturen ved hjælp af feltet Emission Scanning elektronmikroskop (FESEM).
  3. Inspicér visuelt porøsitet af to faser og på grænsefladen grænse for de anvendte materialer. For at opnå en mere detaljeret resultat udføre en grænseflade analyse, f.eks. ved FESEM og efterfølgende billede analyse at undersøge porøsitet inden for sintret mikrostruktur.
    Den målrettede porøsitet er under 1%. Hvis porøsitet er for højt, variere deposition parameter stiger (2.2) og/eller ordningen for termisk behandling (3).

Representative Results

For produktion af målte komponenter, blevet kun pulvere med samme producent kombineret for hver multi materialekomponent. Eksperimenter med pulvere med forskellige producenter i én komponent er stadig i gang. Til dette formål har de forskellige shrink priser betragtes.

Måleresultat af den gennemsnitlige partikel diameter (d50) af zirconia hvid - 1 efter spredning var 0,37 µm. Fabrikanten anfører en faktiske partikelstørrelse på 0,04 µm (én størrelsesorden mindre). Den gennemsnitlige partikelstørrelse (d50) af zirconia sort - 1 er 0,5 µm. figur 2 (A) viser en FESEM analyse af zirconia hvid - 1 og figur 2 (B) en FESEM-billede af overfladen af et granulat i detaljer. Figur 2 (C) og figur 2 (D) viser det samme for zirconia sort - 1. Begge ubehandlet pulvere består af store kugleformede granulat (diameter op til 100 µm), som er typisk for tørre presserende råvarer. FESEM-billeder af pupperne overflader Vis primære partikler af zirconia hvid - 1 (figur 2 (B)) og zirconia sort - 1 (figur 2 (D)) med en faktiske partikelstørrelse næsten 0,04 µ m.

Figur 2 (E) - 2 (H) viser FESEM-billeder af zirconia hvid - 2 og zirconia sort - 2. De målte, gennemsnitlige partikelstørrelse (d50) af zirconia pulvere zirconia hvid - 2 og zirconia sort - 2 er henholdsvis 0,27 µm og 0,25 µm, hvori partiklerne findes som sfæriske granulat med diametre op til 100 µm (figur 2 (E) og figur 2 (G)). Størrelsen af de hvide pulver primære partikler er under 0,1 µm (figur 2 (F)). Sort pulver primære partikler er op til 0,5 µm i diameter (figur 2 (H)).

Figur 3 (A) viser den dynamisk viskositet af suspensioner baseret på zirconia hvid - 1 og zirconia sort - 1 som funktion af shear rate og i afhængighed af temperaturen (85 ° C og 100 ° C). Begge suspensioner Vis en saks, udtynding adfærd uanset temperaturen.

Tabel 1 sammenfatter de målte viskositet af suspensioner til forskellige shear priser og for forskellige temperaturer.

Figur 3 (B) viser de rheologiske opførsel af suspensioner baseret på zirconia hvid - 2 og zirconia sort - 2 (85 ° C og 100 ° C). Alle grafer viser en saks, udtynding adfærd. Tabel 2 opsummeres de målte viskositet af suspensioner til forskellige shear priser og for forskellige temperaturer.

Ud over shear rate-kontrollerede målinger, blev langsigtede målinger udført. Figur 3 (C) viser forløbet af den dynamiske viskositet under de langsigtede mål for alle fire suspensioner med et konstant shear rate på 10/s over 2 h. Mens den dynamisk viskositet af hvide zirconia suspensioner (zirconia hvid - 1 og zirconia hvid - 2) er næsten konstant (tabel 3), dynamisk viskositet tendens til at falde en smule af det sorte zirconia (zirconia sort - 1 og zirconia sort - 2).

Efter den empiriske fastsættelse af dosering parametre fremstilling af enkelt komponent, tre-dimensionelle strukturer blev håndterbare for hver suspension. Figur 4 (A) viser en kompleks sintret test struktur baseret på suspensionen af zirconia hvid - 1 og additively fremstillet af CerAM - T3DP. Den samme test struktur additively fremstillet af CerAM - T3DP og zirconia sort - 1-suspension er vist i figur 4 (B).

Figur 4 (C) viser et sintret test struktur baseret på zirconia suspensioner af den zirconia hvid - 2, figur 4 (D) et sintret test struktur baseret på zirconia sort - 2. Efter fremstillingen af ensfarvet komponenter fandt til fremstilling af multi farvekomponenterne sted. Figur 4 (D) til 4 (F) vise nogle sintret flerfarvet zirconia komponenter additive manufacturing bruger CerAM - T3DP.

Figur 5 (A) og figur 5 (B) viser FESEM-billeder af mikrostruktur af multi farvekomponenterne med en klart identificerbar grænseflade mellem to suspensioner baseret på zirconia pulvere zirconia hvid - 1 (øverst) og zirconia sort - 1 (nederst).

En energy dispersive X-ray spektroskopisk analyse (EDX) viste, at flere alumina skorpe i mikrostrukturen af de sintrede zirconia sort - 1 opstår (tal 6 (A-C)). At evaluere sammensætningen af den og zirconia sort - 1-mikrostruktur især i de mørke områder i flere detalje yderligere EDX undersøgelser fandt sted (tal 6 (D-G)), som viste udfældning af aluminiumoxid (figur 6 (E) ).

Figure 1
Figur 1: CAD-tegning af brugte CerAM - T3DP-enhed med tre mikro udlevering enheder og en overflade scanner. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: FESEM-billede af brugte zirconia granulater. (A) zirconia hvid - 1 granulat - oversigt og (B) overflade; (C) zirconia sort - 1 granulat - oversigt og (D) overflade; (E) zirconia hvid - 2 granulat - oversigt og (F) overflade; (G) zirconia sort - 2 granulat - oversigt og (H) overflade.

Figure 3
Figur 3: rheologiske opførsel af termoplastisk suspensioner. (A) baseret på zirconia pulvere zirconia hvid - 1 og zirconia sort - 1; (B) baseret på zirconia pulvere zirconia hvid - 2 og zirconia sort - 2; (C) sammenligning af alle fire suspensioner under en langsigtet måling på en konstant shear rate på 10/s.

Figure 4
Figur 4: sintrede single - og multi - anti-material test strukturer additively fremstillet af T3DP. (A) baseret på zirconia hvid - 1 -affjedring; (B) baseret på zirconia sort - 1 -affjedring; (C) baseret på zirconia hvid - 2 -affjedring; (D) baseret på zirconia sort - 2 -affjedring; (E) baseret på zirconia hvid - 1 - og zirconia sort - 1 -affjedring; (F) baseret på zirconia hvid - 2- og zirconia sort - 2 - suspension - ramme-lignende struktur og (G) ring-lignende struktur.

Figure 5
Figur 5: FESEM-billeder. FESEM-billeder af tværsnit på grænsefladen mellem sintret zirconia hvid - 1 (øverst) og zirconia sort - 1 (nederst); (A) planar interface og (B) sammenvævede grænseflade

Figure 6
Figur 6: Resultater af EDX målinger på sintret zirconia hvid - 1 / zirconia sort - 1 -interface. (A) oversigt over måling felter 1 + 2 og (D) 3-5; resultaterne af målingen (B) felt 1, (C) ager 2, (E) felt 3, (F) felt 4 og (G) felt 5.

Figure 7
Figur 7: masse ændring af zirconia hvid - 1- og zirconia sort - 1 -suspensioner under termisk nedbrydning Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Table 1
Tabel 1: dynamisk viskositet af termoplastisk suspensioner baseret på zirconia pulvere zirconia hvid - 1 og zirconia sort - 1. Venligst klik her for at downloade denne fil.

Table 2
Tabel 2: dynamisk viskositet af termoplastisk suspensioner baseret på zirconia pulvere zirconia hvid - 2 og zirconia sort - 2. Venligst klik her for at downloade denne fil.

Table 3
Tabel 3: dynamisk viskositet af alle fire suspensioner under langsigtet måling med en konstant shear rate på 10/s. Venligst klik her for at downloade denne fil.

Discussion

Karakterisering af de rheologiske opførsel af smeltet suspension til høj shear priser op til 5000/s er nødvendigt, da vurderingen af betingelserne inden for brugte mikro udlevering systemer (geometri af stempel og dyse kammer, hastighed af stempel) afsløret, at snitte satser på 5000/s og højere genereres i mikro udlevering system under deposition proces25.

Undersøgelsen af de udskriftsparametre bør gøres for at hjælpe med kalibrering af dispenser til fremstilling af multi materialekomponenter. Dispenser parametres betydning på egenskaberne af materialerne, der er blevet drøftet i25. Parameter værdi grænser har kun været langsomt empirisk. Indtil videre viser erfaringen, at variansen i droplet kæde højde og bredde ikke må overstige 3%. Diameter forskelle op til 100 mikron og højdeforskelle op til 50 mikron kan kompenseres af parametre pulse bredde, droplet fusion faktor (DFF) og ekstrudering bredde (udskæring parameter).

Det er kritisk for trykprocessen at lag højder af de forskellige materialer er justeret til hinanden ved at ændre afstanden mellem enkelt dråber, da det ville resultere i en ujævnhed inden for et lag, hvis højderne af de forskellige materialer gør ikke kamp. En ujævnhed fører til store defekter og defekte komponenter. Ved at reducere afstanden mellem to dråber og de tilknyttede større overlap, bredde og højde af droplet kæde stiger på grund af den næsten konstant volumen af de enkelte dråber. Det kan konstateres, at droplet kæde bredde stiger hurtigere end droplet kæde højde. Det er ikke nødvendigt og nok ikke muligt at realisere perfekt formede hjernehalvdele som enkelt dråber, men du er nødt til at sikre ved at bestemme montering udlevering parametre at homogeniteten af droplet-dannelse er meget høj til at sikre en homogen bygning af komponenter.

Måling på 85 ° C simulerer de rheologiske opførsel af suspensioner i udlevering mikrosystemet fodring patronen. Over 90 ° C begynder nedbrydningen af bindemiddel komponenter (figur 7). Alle suspensioner vise næsten lignende adfærd. Brugte dyse temperaturen af den mikro udlevering system var 100 ° C. Denne temperatur fremmer droplet-dannelse på grund af den lave viskositet forårsaget af stigende suspensioner temperatur mens den passerer dysen. På grund af den korte hviletiden af suspensioner i dyse ved denne temperatur er nedbrydning ikke påvirke den materielle adfærd betydeligt.

Multi farvekomponenterne kunne være sintret næsten fejlfri, men for de zirconia sort - 2 og zirconia hvid - 2 pulvere farven på den hvide fase forvandlet til pink. Hidføre nemlig farveændringen er diffusion processer mellem de forskellige materialer under sintring. Dette er kun en effekt på overfladen og kan fjernes ved en slibning trin. Men dette er meget udfordrende for komplekse strukturer af AM teknologier.

Inden for multi farvekomponenterne planar og sammenvævede grænse grænseflader udviklet mellem de to forskellige kompositioner. Således, uanset drop-bundet aflejring af materialet, arrangementet af de forskellige mikrostrukturer kan realiseres meget præcist. Derudover kan figuren droplet udnyttes til at øge grænsefladen grænse mellem to materialer. Hidtil har været produceret kun diskrete materielle overgange. Fremtidig forskning kan også omfatte produktion af gradvise ændringer mellem materialer.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Dette projekt har modtaget støtte fra EUs Horisont 2020 forskning og Innovation Program under Grant aftale nej 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