Multimaterial keramik-baserade komponenter – additiv tillverkning av svartvita Zirconia komponenter av termoplastiska 3D-Printing (CerAM - T3DP)

Engineering
 

Summary

Här beskriver vi ett protokoll för additivt tillverkning svartvita zirconia komponenter av termoplastiska 3D-Printing (CerAM - T3DP) och samtidig sintring felfri.

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

Att kombinera fördelarna av additiv tillverkning (AM) med fördelarna av funktionellt graderade material (Könsstympning) för keramik-baserade 4D komponenter (tre dimensioner för geometri och en grad av frihet som rör den materiella rekvisitan på varje position) den Termoplastiska 3D-Printing (CerAM - T3DP) utvecklades. Det är en direkt AM-teknik som tillåter AM av multi-material komponenter. Att demonstrera fördelarna med denna teknik svartvita zirconia komponenter additivt tillverkades och samtidig sintrad felfri.

Två olika par av svart och vit zirconia pulver användes för att förbereda olika termoplastiska suspensioner. Förbestämda parametrarna utreddes för att tillverka singel-material test komponenter och justerat för additiv tillverkning av flerfärgade zirconia komponenter.

Introduction

Funktionellt graderade material (KKS) är material med en mängd egenskaper om övergångar i mikrostrukturen eller den materiella1. Dessa övergångar kan vara diskreta eller kontinuerlig. Olika typer av kvinnlig Könsstympning är kända, såsom komponenter med materiella övertoningar, graderade porositet samt flerfärgade komponenter.

Kvinnlig Könsstympning-komponenter kan tillverkas genom enda konventionella forma teknik2,3,4,5,6,7 eller genom en kombination av dessa tekniker, för exempel genom in-mould Labelling som en kombination av tape casting och formsprutning8,9.

Additiv tillverkning (AM) möjliggör produktion av komponenter med en hittills oöverträffad designfrihet. Detta anses den toppmoderna forma teknik för polymerer och metaller. Första kommersiella processer för bearbetning av keramik är tillgänglig10, och nästan alla kända AM tekniker som används för AM keramik i laboratorier över hela världen11,12,13.

Om du vill kombinera fördelarna med AM med fördelarna med kvinnlig Könsstympning att keramik-baserade 4D komponenter (tre dimensioner för geometri och en grad av frihet som rör den materiella rekvisitan på varje position) termoplastiska 3D-utskrift (CerAM - T3DP) har utvecklats vid Fraunhofer IKTS i Dresden, Tyskland, som en direkt AM-teknik. Detta tillåter AM multi-material komponenter14,15,16,17. CerAM - T3DP bygger på selektiv nedfall av enstaka droppar av partikel fylld termoplastiska suspensioner. Genom att utnyttja flera doseringssystem, olika termoplastiska suspensioner kan deponeras bredvid varandra lager av lager att producera bulk materiellt liksom boendet lutningar inom de additivt tillverkade gröna komponenter18. Till skillnad från indirekta AM processer, där tidigare deponerade material stelna selektivt över hela lagret, CerAM - kräver T3DP processen inte den extra ansträngningen att ta bort alla icke-solidifierat materialet före nedfall av nästa materialet, vilket gör den mer lämplig för AM av multi-material komponenter.

Trots att utnyttja CerAM - T3DP processen tillåter AM av kvinnlig Könsstympning och förverkligandet av keramik-baserade komponenter med oöverträffade egenskaper, finns det utmaningar att övervinna angående nödvändiga värmebehandling efter AM processen, för att erhålla en multimaterial komposit. Särskilt behöver de parade pulver i kompositmaterialet vara framgångsrikt samarbete sintrad, för vilka den sintring av komponenter måste utföras vid samma temperatur och atmosfär. Därför är det en förutsättning för allt material till en jämförbar sintring temperatur och beteende (start temperatur av sintring, krympning beteende). För att undvika kritiska mekanisk stress under kylning, måste koefficienten för termisk expansion av allt material vara ungefär lika11.

Kombinationen av material med olika egenskaper i en komponent öppnar dörren till komponenter med oöverträffade egenskaper för många applikationer. T.ex. rostfritt stål-zirconia kompositer kan användas som skärverktyg, slitstarka komponenter, energi och bränsle cell komponenter eller som bipolär kirurgiska verktyg19,20,21,22, 23,24. Sådana komponenter skulle kunna realiseras genom CerAM - T3DP14,15,16,17, också, efter justering av sintring uppförandet av en särskild fräsning processen16.

Keramik-baserade kvinnlig Könsstympning med graderad porositet som tät och porösa zirconia kombinera mycket bra mekaniska egenskaper i täta områden med en hög aktiv yta av porösa områden. Liknande komponenter kan additivt tillverkas av CerAM - T3DP18.

I detta papper undersöker vi AM av zirconia komponenter med två olika färger i en komponent av CerAM - T3DP. Vi valde vitt och svart zirconia eftersom denna kombination i en keramisk komponent är intressant för smycken applikationer. Efterfrågan av individualiserad lyxvaror är mycket hög och växer fortfarande. Teknik som tillåter AM av keramik-baserade multi-material komponenter med hög upplösning och mycket bra ytegenskaper gör det möjligt för att tillgodose denna efterfrågan. Keramik som zirconia används till exempel att producera klocka komponenter som boetter och beslag eller för ringar på grund av den speciella haptik, blick, hårdhet och lägre vikt jämfört med metaller.

Protocol

1. termoplastiska Suspension för CerAM - T3DP

  1. Urval av pulver
    1. För beredning av Svart termoplast upphängningarna använda svart zirconia pulver zirconia svart - 1 och zirconia svart - 2.
    2. För beredning av vit termoplast upphängningarna använda zirconia vit - 1 och zirconia vit - 2.
      Obs: Tillverkaren av zirconia svart - 2 använder pigment (4.2 wt.-%) för färgen av zirkonium och anges även att både pulver har samma sintring beteende. Dessutom, den höga andelen aluminiumoxid (20.43 wt.-%) bidrar till den vita färgen i zirconia vit - 2. De pulver zirconia svart - 1 och zirconia vit - 1 har en annan sammansättning och därmed kräva annan sintring temperatur för komplett förtätning. I motsats till zirconia vit - 1består zirconia svart - 1 högst 5 wt.-% pigment. Rekommenderade sintring temperaturerna är 1400 ° C för zirconia svart - 1 och 1350 ° C för zirconia vit - 1.
  2. Karakterisera pulver när det gäller form, yta och partikelstorleksfördelning.
    Obs: Elektron skanning mikroskopi bilder har använts för att karakterisera formen av partiklarna. Fördelningen av partiklarnas storlek av de utnyttjade pulver mättes av en laser diffraktion metod (laser diffractometer). Måtten för specifika ytegenskaper av används pulver har tillhandahållits av tillverkning.
  3. För beredning av olika zirconia upphängningarna smälta en blandning av paraffin och bivax vid en temperatur på 100 ° C i en heatable ytspänningen och homogenisera polymer blandningen.
    1. Lägg sedan till pulvret i flera steg för att nå ett pulver innehåll av 40 vol.%.
    2. Homogenisera pulver-polymer-blandningen under omrörning för 2 h vid 100 ° C. Säkerställa att alla suspensioner har samma pulver innehåll (40 vol.%).
  4. Karakterisering av suspensioner
    1. Karakterisera de reologiska beteenden av smält upphängning med en reometer för skjuvning priser mellan 0-5000/s för olika temperaturer i ett intervall mellan 85 ° C och 110 ° C.
      Obs: Vi använde en reometer justerbar mellan-25 ° C till 200 ° C med en plåt/platta mätsystem (25 mm diameter). Vridmomentet mättes och dynamiska viskositeten beräknades.
    2. Rita den dynamiska viskositeten som funktion av den skeva och kontrollera att den dynamiska viskositeten är under 100 Pa·s för skjuvning 10/s, under 20 Pa·s för skjuvning 100/s och under 1 Pa·s för skjuvning 5.000/s eller öka den temperatur inom det tillåtna området.
    3. Ändra fjädring sammansättningen genom att lägga till polymer blandning om dynamiska viskositeten är för hög även för en temperatur på 110 ° C.

2. tillverkning av enkel- och multi-material komponenter av CerAM - T3DP

  1. Använda enheten
    Figur 1 visar en CAD-ritning av den begagnade CerAM - T3DP-enhet med en profil scanner och tre olika mikro dispenseringssystem, som kan arbeta samtidigt eller växelvis. Använda två av dem för att producera svartvita komponenter.
    1. Ange nedfall av droppar till en frekvens upp till 100/s och axlarna att flytta med en maximal hastighet av 20 mm/s.
  2. Utredning av nedfall parametrar
    Undersöka påverkan av nedfall parametrar (arbetar hastigheter av micro doseringssystemet; temperaturer av suspension reservoaren och munstycke; hastighet av axeln) i egenskaperna för den resulterande droppar (form, volym, homogenitet) eller droplet kedjor (form, volym, homogenitet).
    1. Variera parametrarna nedfall och insättning enda droppar samt droplet kedjor genom att använda olika frekvenser och yxor hastigheter för nedfall.
      Obs: Påverkan av parametrarna dispenser på egenskaperna hos material har diskuterats tidigare25. Parameter värde gränser har endast fastställts empiriskt.
    2. Kontrollera att att variansen i droplet kedja höjd och bredd inte bör överstiga 3%. Variera den parametrar pulsbredden, droplet fusion faktor (DFF) och extrudering bredd (skivning parameter) att kompensera diameter skillnader upp till 100 µm och höjd skillnader upp till 50 mikrometer.
      Obs: Det är inte nödvändigt och förmodligen inte möjligt att förverkliga perfekt formade halvklot som enstaka droppar, men du måste se till att enhetligheten av droplet bildandet är mycket hög för att garantera en enhetlig byggnad av komponenter.
    3. Upprepa detta steg med olika inledande parametrar att hitta en parameteruppsättningen som ger mest homogen droplet formen med avseende på droplet diameter, bredd och höjd.
  3. Tillverkning av singel-material test komponenter
    1. Använd en genererad 3D-modell av önskad del och spara filen som STL eller AMF-format.
    2. Använda ett skivning program (t.ex. Slicer 1 eller Slicer 2) för att generera motsvarande G-kod. Ange egenskaper för formen droplet förvärvade i steg 2.2.
    3. Ladda upp det G-kod och fyll processparametrarna till CerAM - T3DP-enhet. Ange CerAM - T3DP-enheten för de parametrar som erhålls i steg 2.2 som motsvarade till droplet formen till utsnittet. Starta enhetsprogramvaran för att starta byggnad jobbet.
      Obs: Det är fördelaktigt att tillverka vissa prover innan bygga önskad del eller använder nya upphävanden.
  4. CerAM - T3DP av multi-material komponenter
    1. Utföra steg 2.2 för varje material som är inblandade.
    2. Välj tubens parametrar för båda materialen som har ungefär samma droplet egenskaper.
    3. Justera lager höjder genom att ändra avståndet mellan enstaka droppar och resulterande överlappningen att undvika skillnader i höjder för olika material, vilket kan resultera i stora defekter och defekta komponenter.
      Obs: Genom att minska avståndet mellan två droppar och associerade större överlappning, bredd och höjd av droplet kedjan ökar på grund av enstaka droppar nästan konstant volym. Det kan noteras att droplet kedja bredd ökar snabbare än droplet kedja höjd.
    4. Använd en genererad 3D-modell av önskad del och spara filen som AMF filer. Om det stöds av utsnittet flera komponent områden kan också sparas i STL-format.
    5. För att skriva ut multi-material komponenter, tilldela motsvarande komponent områden associerade materialet i programvaran skivning genom att anslå ett motsvarande micro doseringssystemet för varje material.
    6. Generera de G-koderna för varje material med programmet slicer.
    7. Ladda upp det G-kod och fyll processparametrarna till CerAM - T3DP-enhet. Ange CerAM - T3DP-enheten för de parametrar som erhålls i steg 2.2 som motsvarade till droplet formen till utsnittet. Starta enhetsprogramvaran för att starta byggnad jobbet.

3. Co-avdrivning och samtidig sintring av Single - och Multi - anti-material komponenter

  1. Debind gröna proverna i följande separata steg.
    1. Först ut proverna i en lös huvuddelen av grovkornig aluminiumoxid pulver (pulver säng) till strukturellt stöd av prover samt att säkerställa en homogen temperaturfördelning och främja avlägsnande av material som binder genom kapillärkrafter.
    2. Utföra en avdrivning med en mycket låg värme i en ugn (avdrivning ugnen) under luft-atmosfär upp till 270 ° C. Ange värme till 4 K/h för att säkerställa en felfri avdrivning.
  2. Efter detta första debinding steg och ta försiktigt bort strö pulvret till exempel med en fin pensel. Placera proverna på aluminiumoxid torken möbler.
  3. Applicera ett andra debinding steg under luft-atmosfär upp till 900 ° C (12 K/h) i samma ugnen.
    Obs: Alla resterande organiskt bindemedel material var termiskt bort, medan inom i samma steg en pre sintring av zirconia partiklarna inleddes för att möjliggöra efterföljande överföring av proverna för en sintring ugnstorkade.
  4. Slutligen Sintra proverna under luft-atmosfär vid 1 350 ° C (180 K/h) för 2 h i en passande ugn (sintring ugnen). Karakterisera krympning av komponenterna av längdmätning i tre dimensioner och se till att det är ca 20% för varje riktning.

4. karakterisering av Single - och Multi - anti-material komponenter

  1. Skär proverna korrekt och polera ytan med ceramographic metoder.
  2. Applicera utredningar på mikrostrukturen med hjälp av fältet utsläpp Scanningelektronmikroskop (FESEM).
  3. Inspektera visuellt porositeten av två faser och på gränsen gränssnittet för de använda materialen. För att få utföra ett mer detaljerade resultat en gränssnitt analys, t ex genom FESEM och efterföljande bild analys för att undersöka porositeten inom sintrad mikrostrukturen.
    Den rikta porositeten är under 1%. Om porositeten är för hög, variera nedfall parametern rising (2.2) eller termisk behandling (3) regim.

Representative Results

För produktion av uppmätta komponenter, har bara pulver av samma tillverkare kombinerats för varje multimaterial komponent. Experiment med pulver med olika tillverkare i en komponent pågår fortfarande. För detta ändamål måste de olika krympa priserna beaktas.

Mätresultatet med den genomsnittliga partikeldiameter (d50) av zirconia vit - 1 efter spridning var 0,37 µm. Tillverkaren anger en faktiska partikelstorlek 0,04 µm (en storleksordning mindre). Den zirconia svart - 1 genomsnittlig partikelstorlek (d50) är 0,5 µm. figur 2 (A) visar den FESEM analysen av zirconia vit - 1 och figur 2 (B) en FESEM-bild av ytbehandla av ett granulat i detalj. Figur 2 (C) och figur 2 (D) visar samma sak för zirconia svart - 1. Båda obehandlade pulver består av stora sfäriska granulat (diameter upp till 100 µm) vilket är typiskt för torr pressning råvaror. FESEM-bilderna av granulat ytor visar de primära partiklarna av det zirconia vit - 1 (bild 2 B) och zirconia svart - 1 (figur 2 D) med en faktisk partikelstorlek nästan 0,04 µ m.

I figur 2 (E) 2 (H) visar FESEM-bilderna av zirconia vit - 2 och zirconia svart - 2. De uppmätta genomsnittliga partikelstorlek (d50) av zirconia pulver zirconia vit - 2 och zirconia svart - 2 är 0,27 µm respektive 0,25 µm, vari finns partiklarna som sfäriska granulat med diametrar upp till 100 µm (figur 2 (E) och figur 2 (G)). Storleken på de primära partiklarna vit pulver understiger 0,1 µm (figur 2 (F)). Svart pudrar primära partiklarna är upp till 0,5 µm i diameter (figur 2 H).

Figur 3 (A) visar dynamiska viskositeten av upphängningarna baserat på zirconia vit - 1 och zirconia svart - 1 som en funktion av den skeva och i beroende av temperaturen (85 ° C och 100 ° C). Båda suspensioner visar en skjuvning gallring beteende oavsett temperatur.

Tabell 1 sammanfattar de uppmätta viskositeter av upphängningarna till olika skjuvning priser och för olika temperaturer.

Figur 3 (B) visar de reologiska beteenden av de suspensioner baserade på zirconia vit - 2 och zirconia svart - 2 (85 ° C och 100 ° C). Alla diagrammen visar en skjuvning gallring beteende. Tabell 2 sammanfattar de uppmätta viskositeter av upphängningarna till olika skjuvning priser och för olika temperaturer.

Utöver shear rate-kontrollerade mätningar genomfördes långtidsmätningar. Figur 3 (C) visar kursen av dynamisk viskositet under långtidsmätningar för alla fyra suspensioner med en konstant skjuv hastighet av 10/s över 2 h. Medan den dynamiska viskositeten av de vita zirconia suspensioner (zirconia vit - 1 och zirconia vit - 2) är nästan konstant (tabell 3), dynamisk viskositet tenderar att minska något av den svart zirconia (zirconia svart - 1 (och zirconia svart - 2).

Efter empirisk bestämning av dosering parametrar tillverkning av enskild komponent, tre dimensionella strukturer blev hanterbart för varje suspension. Figur 4 (A) visar en komplex sintrad test struktur baserat på upphävandet av zirconia vit - 1 och additivt tillverkade av CerAM - T3DP. Samma test struktur additivt tillverkade av CerAM - T3DP och den zirconia svart - 1-suspension visas i figur 4 (B).

Figur 4 (C) visar en sintrad test struktur baserad på de zirconia upphävandena av den zirconia vit - 2, figur 4 (D) en sintrad test struktur baserat på zirconia svart - 2. Efter tillverkning av en färg komponenter ägde tillverkning av flerfärgade komponenter rum. Figur 4 (D) till 4 (F) visar några sintrad flerfärgade zirconia komponenter additiv tillverkning med hjälp av CerAM - T3DP.

Figur 5 (A) och figur 5 (B) visar FESEM-bilder av mikrostrukturen i flerfärgade komponenter med en tydligt urskiljbar gränssnitt mellan de två suspensioner baserade på zirconia pulver zirconia vit - 1 (överst) och zirconia svart - 1 (nederst).

En energi-dispersive X-ray spektroskopiska analyser (EDX) visade att fler aluminiumoxid skorpa i mikrostrukturen i den sintrade zirconia svart - 1 inträffar (figurerna 6 (A-C)). Att utvärdera sammansättningen av den och zirconia svart - 1-mikrostruktur särskilt i mörka områden i mer detalj ytterligare EDX undersökningar ägde rum (figurerna 6 (D-G)) som visade utfällning av aluminiumoxid (figur 6 (E) ).

Figure 1
Figur 1: CAD-ritning av begagnade CerAM - T3DP-enhet med tre micro tubens enheter och en surface skanner. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: FESEM-bilden av begagnade zirconia granulates. (A) zirconia vit - 1 granulates - översikt och (B) yta; (C) zirconia svart - 1 granulates - översikt och (D) yta; (E) zirconia vit - 2 granulates - översikt och (F) yta; (G) zirconia svart - 2 granulates - översikt och (H) yta.

Figure 3
Figur 3: reologiska beteende av termoplastiska suspensioner. (A) baserat på zirconia pulver zirconia vit - 1 och zirconia svart - 1; (B) baserat på zirconia pulver zirconia vit - 2 och zirconia svart - 2; (C) jämförelse av alla fyra suspensioner under en långsiktig mätning vid en konstant shear rate 10/s.

Figure 4
Figur 4: sintrad singel - och multi - anti-material testa strukturer additivt tillverkade av T3DP. (A) baserat på zirconia vit - 1 -fjädring. (B) baserat på zirconia svart - 1 -fjädring. (C) baserat på zirconia vit - 2 -fjädring. (D) baserat på zirconia svart - 2 -fjädring. (E) baserat på zirconia vit - 1 - och zirconia svart - 1 -fjädring. (F) baserat på zirconia vit - 2- och zirconia svart - 2 - fjädring - ram-liknande struktur och (G) ring-liknande struktur.

Figure 5
Figur 5: FESEM-images. FESEM-bilder av tvärsnittet vid gränssnittet mellan sintrad zirconia vit - 1 (överst) och zirconia svart - 1 (botten); (A) planar gränssnitt och (B) sammanvävda gränssnitt

Figure 6
Figur 6: Resultaten av EDX mätningar vid sintrad zirconia vit - 1 / zirconia svart - 1 -gränssnitt. (A) översikt om mätningen sätter 1 + 2 och (D) 3-5; resultaten av mätningen (B) fält 1, (C) fält 2, (E) fält 3, (F) fält 4 och (G) fältet 5.

Figure 7
Figur 7: massa ändringen av zirconia vit - 1- och zirconia svart - 1 -suspensioner under termisk nedbrytning Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Table 1
Tabell 1: dynamisk viskositet av termoplastiska suspensioner baserade på zirconia pulver zirconia vit - 1 och zirconia svart - 1. Vänligen klicka här för att hämta den här filen.

Table 2
Tabell 2: dynamisk viskositet av termoplastiska suspensioner baserade på zirconia pulver zirconia vit - 2 och zirconia svart - 2. Vänligen klicka här för att hämta den här filen.

Table 3
Tabell 3: dynamisk viskositet av alla fyra suspensioner under långsiktig mätning med en konstant skjuv hastighet av 10/s. Vänligen klicka här för att hämta den här filen.

Discussion

Karakterisering av de reologiska beteenden av smält upphängning på hög skjuvning priser upp till 5000/s är nödvändig eftersom bedömningen av villkoren inom begagnade micro dispenseringssystem (geometri av kolven och munstycke kammare, hastighet av kolv) avslöjade att skeva priser på 5000/s och högre genereras i mikro dispensering system under de nedfall process25.

Utredningen av utskriftsparametrarna bör göras för att hjälpa med kalibrering av dispensern för tillverkning av multi-material komponenter. Påverkan av parametrarna dispenser på egenskaperna hos material har diskuterats i25. Parameter värde gränser bara varit fast besluten empiriskt. Erfarenheterna visar hittills att variansen i droplet kedja höjd och bredd inte bör överstiga 3%. Diameter skillnader upp till 100 µm och höjdskillnader upp till 50 mikrometer kan kompenseras av parametrar pulsbredd, droplet fusion faktor (DFF) och extrudering bredd (skivning parameter).

Det är viktigt för utskriftsprocessen att lager höjderna av olika material är anpassade till varandra genom att ändra avståndet mellan enstaka droppar, eftersom det skulle resultera i en ojämnheter inom ett lager om höjderna av de olika material som gör inte matchen. Ett ojämnheter leder till stora brister och felaktiga komponenter. Genom att minska avståndet mellan två droppar och associerade större överlappning, bredd och höjd av droplet kedjan ökar på grund av enstaka droppar nästan konstant volym. Det kan noteras att droplet kedja bredd ökar snabbare än droplet kedja höjd. Det är inte nödvändigt och förmodligen inte möjligt att inse perfekt formade halvklot som enstaka droppar, men du måste se till genom att bestämma tillbehöret dispensering parametrar att enhetligheten av droplet bildandet är mycket hög för att garantera en homogen byggnad av komponenter.

Mätningen på 85 ° C simulerar upphävanden i utfodring patronen av micro doseringssystemet reologiska beteende. Över 90 ° C börjar nedbrytningen av bindemedel komponenter (figur 7). Alla suspensioner visar nästan liknande beteende. Använda munstycket temperaturen av micro doseringssystemet var 100 ° C. Denna temperatur främjar bildandet droplet på grund av låg viskositet orsakas genom att öka suspensioner temperaturen stundbortgång munstycket. På grund av korta varaktigheten av suspensioner inom munstycket vid denna temperatur påverkar nedbrytningen inte avsevärt materiellt beteendet.

De flerfärgade komponenterna kunde vara sintrad nästan felfri, men för de zirconia svart - 2 och zirconia vit - 2 pulver färg på den vita fasen förvandlas till rosa. Orsaka för färgförändring är diffusion processer mellan de olika materialen under sintring. Detta är bara en effekt på ytan och kan tas bort genom en slipsteget. Men detta är mycket utmanande för komplexa konstruktioner av AM technologies.

Inom de flerfärgade delarna planar och sammanvävda gränsen gränssnitt utvecklas mellan de två olika kompositionerna. Således, oavsett drop-bundna nedfall av materialet, ordningen av de olika mikrostrukturer kan realiseras mycket exakt. Droplet formen kan dessutom utnyttjas för att öka gränsen gränssnittet mellan två material. Hittills har endast diskreta material övergångar producerats. Framtida forskning kan också innebära att produktionen av gradvisa förändringar mellan material.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Detta projekt har beviljats medel från EU: s Horizon 2020 forsknings- och innovationsprogrammet under Grant avtal nr 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