金属陶瓷元件的熔融长丝制造 (fff)

Engineering
 

Summary

本研究显示了采用不锈钢和氧化锆熔融长丝制造 (fff) 的多材料添加剂制造 (am)。

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Abel, J., Scheithauer, U., Janics, T., Hampel, S., Cano, S., Müller-Köhn, A., Günther, A., Kukla, C., Moritz, T. Fused Filament Fabrication (FFF) of Metal-Ceramic Components. J. Vis. Exp. (143), e57693, doi:10.3791/57693 (2019).

Please note that all translations are automatically generated.

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

Abstract

技术陶瓷广泛用于工业和研究应用, 以及消费品。如今, 对具有多种定制选项和良好生产方法的复杂几何形状的需求不断增加。熔融长丝制造 (fff) 可以快速生产大型复杂部件, 并具有较高的材料效率。在 fff 中, 连续的热塑性长丝在加热的喷嘴中熔化并沉积在下面。移动计算机控制的打印头, 以便逐层构建所需的形状。关于金属或陶瓷印刷的研究越来越多, 在研究和工业中。本研究的重点是添加剂制造 (am) 与多材料的方法, 结合金属 (不锈钢) 与技术陶瓷 (氧化锆: zro2)。由于这些材料具有不同的电气和机械性能, 结合这些材料提供了广泛的应用。本文介绍了这些复合材料的制备、设备开发和印刷中存在的主要问题。

Introduction

根据 iso/astm, 添加剂制造 (am) 是指通过连续添加材料1来创建基于几何表示的物理对象的技术的总称。因此, 这些技术提供了制造几何形状极其复杂的部件的可能性, 作者所知的任何其他成型技术都无法实现这一点。

自过去 25年第2、3世纪不同am 技术的早期发展以来, 对陶瓷材料进行了研究;然而, 与聚合物或金属部件的添加剂制造相比, 陶瓷部件的添加剂制造并不是最先进的。chartier 等人对陶瓷元件用的 am 技术作了一些概述.4, travitzky等人5和 zocca等人6、可根据所使用材料的状态进行分类-粉末材料、液体材料和固体材料45或材料的沉积和凝固种类6.am 器件可用于对大多数应用具有所需性能的高密度和高质量陶瓷组件进行添加剂制造 78910,11个

陶瓷部件的生产需要复杂的加工, 这阻碍了陶瓷 am 的发展。然而, 陶瓷组件对于特殊的消费品和医疗设备是不可或缺的, am 为制造具有 "不可能" 几何形状的新型组件开辟了新的视野.对于技术陶瓷部件, 需要对制造的部件进行后续热处理, 因为陶瓷的 am 成型需要使用悬浮在有机粘合剂中的粉末, 这些粉末需要在陶瓷之前被去除 (脱脂)。粉末融合在一起 (烧结)。

多功能或多功能组件的 am 将 am 和功能梯度材料 (gfm)13的优点结合到基于陶瓷的4d 组件14中。材料混合允许性能组合, 如电导率绝缘, 磁性/磁性, 管道硬或不同的颜色。混合元件也可以显示 mems (微机电系统)15所知道的传感器或执行器功能。此外, 金属陶瓷复合材料可以配合将陶瓷部件连接到机器中, 因为可以使用传统的可焊接钢合作伙伴。

欧洲项目陶瓷制造 (欧盟项目 ctdis 678503) 正在开发单材料组件的 am 技术, 以及一种全新的多材料组件 am 方法, 这将允许定制和适用于各种应用的多功能组件12。三种不同的基于悬浮物的 am 技术是合格的, 以允许陶瓷陶瓷以及金属陶瓷组件的 am。利用基于悬浮物的 am 技术可以提高与粉末基方法相比的组件性能。由于悬浮液中粉末的颗粒分布比粉末床更均匀、更紧凑, 这些成型方法产生了更高的绿色密度, 从而产生了具有致密微结构和较低表面粗糙度的烧结组分12级

随着平版印刷陶瓷制造 (lcm)7,8,9,10, 11, 16, 17, 熔融长丝制造 (fff) 和热塑性塑料3d 打印 (t3dp)12,14,18正在开发中。fff 和 t3dp 比 lcm 更适合于多材料组分的 am, 因为某些材料的选择性沉积和凝固, 而不是整个层14沉积的材料的纯选择性凝固.

与 lcm 相比, fff 和 t3dp 的另一个好处是使用热塑性粘合剂系统, 而不是光固化聚合物。粘结剂系统能够对粉末进行加工, 而不受电磁波的吸收、发射和反射等光学特性的影响,例如,暗光材料 (在可见范围内), 这是生产所必需的金属陶瓷组分19,20。此外, fff 设备的投资较低, 因为有各种各样的标准设备。由于材料效率高, 材料可回收, 该技术变得经济。最后, fff 很容易对大型零件进行升级, 因为该工艺依赖于在车轴上移动打印头。

本文介绍了利用 fff 制备金属陶瓷复合材料的初步成果。此外, 还给出了 fff 和 t3dp 装置的技术组合, 尽管目前仍在开发中。在 fff 过程中, 热塑性聚合物的细丝通过两个反旋转元件的作用熔化并选择性挤压。一旦材料通过喷嘴挤压, 它就会通过冷却进行固化, 从而能够逐层生产组件。为了生产最终的陶瓷和金属部件, 开发了 2122232425、26的工艺变体。这种聚合物化合物被称为粘合剂, 富含陶瓷或金属粉末。使用传统的 fff 方法对组件进行成型后, 还需要两个额外的步骤。首先, 在脱脂阶段, 必须从样品中完全去除聚合物成分, 从而产生具有许多微尺寸毛孔的结构。为了达到最终的性能, 粉末压实随后在低于材料熔点的温度下烧结。使用这种方法, 生产材料, 如氮化硅, 熔融二氧化硅, 压电陶瓷, 不锈钢, 钨碳钴, 氧化铝或二氧化钛 23,24,25已在其他地方成功进行。

高填充聚合物细丝的使用和工艺的特点对材料的 21提出了一定的要求。热塑性粘结剂成分和粉末之间必须具有良好的相容性, 在有机粘结剂成分熔点以上的温度下, 必须采用复合技术均匀分布, 例如揉合料或剪切轧制。由于固体长丝必须作为打印头中的活塞来推动熔融材料, 因此需要高刚度和低粘度, 才能将材料挤出到典型直径为0.3 至 1.0 mm 的喷嘴。同时, 材料必须具有足够的柔韧性和强度, 才能被塑造成可以被后台处理的长丝。为了在粉末负载高的同时结合所有这些特性, 开发了212226种不同的多组分粘结剂系统。

除了使用适当的粘合剂配方外, 这项工作还采用了新的驱动系统。通常, 齿形驱动轮用于推动灯丝通过喷嘴。这些牙齿会损坏易碎的长丝。为了减少细丝的机械要求, 增加 fff 过程中的挤压压力, 传统的齿形驱动轮 fff 系统被一个特殊的双皮带系统所取代。由于皮带的长度、形状和特殊的橡胶涂层, 产生了较高的摩擦和导向。最重要的问题是防止灯丝通过打印头屈曲。灯丝必须一直引导到喷嘴, 不允许有自由空间, 并且必须考虑组件之间的必要过渡。

离开进料装置后, 灯丝进入喷嘴单元。主要目标是设计温度管理和无间隙指导。开发的打印头如图 1所示。

Figure 1
图 1: 新皮带传动单元 (顶部) 的 cad 模型和真实单元 (底部) 的图像.请点击这里查看此图的较大版本.

金属陶瓷部件生产面临的另一个重大挑战是选择允许在热处理过程中进行共处理的粉末 (可比热膨胀系数 (cte)、温度机制和大气);特别是在烧结步骤中调整两种材料的收缩行为。在这项工作中, 尝试结合氧化锆和改性不锈钢 17-4ph, 因为它们具有可比较的 cte (约 11 x 10-6/), 并且可以在相同的条件下烧结 (降低氢大气烧结温度: 1350-1400°c)。然而, 为了调整收缩行为, 需要一个特殊的铣削程序的金属粉末 19,20

Protocol

1. 使用的材料

  1. 粘结剂组件的选择
    1. 根据 fff 定义的高填充化合物 (粉末含量约为 50 vol.%) 的标准选择粘结剂系统: 机械强度高、刚度足够、粘度低、动模灵活性强。高固体载荷可以预期灵活性的大幅降低和粘度的增加。
      注: 在本研究中, 采用了多组分粘结剂系统。大多数组件由热塑性弹性体组成, 以提高灵活性和强度。将功能化聚烯烃作为主干, 提高了与粉末的附着力。最后, 硬脂酸 (约5卷%) 被纳入作为表面活性剂, 以良好的分散粉末。由于保密原因, 无法披露更多信息。
  2. 粉末的选择
    1. 为多材料方法选择合适的粉末偶。对于陶瓷和金属粉末的共处理, 请选择在相同烧结气氛中烧结时具有相同热膨胀系数 (cte) 和相同收缩行为的材料。
    2. 选择特定的陶瓷等级。选择四边形的稳定氧化锆, 因为 cte 和烧结温度与特殊不锈钢相当, 而且这种陶瓷材料的韧性和弯曲强度都很高。使用特定表面积为 7±2 m 2/的氧化锆粉末, 粒径为 d50 = 0.5 微米。
    3. 选择特定的金属等级。采用不锈钢粉末作为导电性和延展性金属材料。该材料必须具有可比的 cte 和类似的烧结温度范围, 在保护氢气氛下的氧化锆。
  3. 烧结行为的调整
    1. 为了实现无应力共烧结, 调整两种粉末类型的温度依赖性应变行为 (由于烧结和热膨胀而产生的收缩)。由于所使用的氧化锆粉末由于微粒的产生具有较高的表面能, 通过细化较大的金属颗粒来修正不锈钢粉末, 并通过原子晶格的变形增加位错密度。
      注: 首先在磨损铣削过程中, 球形钢颗粒被重新塑造成薄而脆的薄片, 具有极高的位错密度。其次, 在高能铣削步骤 (行星球磨, pbm), 脆性片将被分解成非常细粒的颗粒, 增加烧结能力。通过这种方法, 可以达到金属粉末烧结活性的增加, 收缩曲线可以调整到氧化锆的曲线, 仅显示微小的差异 19,20
      1. 将磨损铣削 (180分钟) 应用于球形不锈钢颗粒, 使其重新成型为薄脆的薄片。
      2. 执行行星球磨 (240分钟), 以打破脆性片成非常细粒颗粒与降低长宽比, 但增加烧结能力。
  4. 评估调整成功
    1. 使用棒或光学膨胀仪测量合适材料压实的收缩行为, 并对结果进行比较。使用两种材料的体积粉末含量是相同的, 并应用相同的测量 (加热速率, 大气, 最高温度, 停留时间)。
    2. 如果烧结行为存在较高的不匹配, 请调整不锈钢粉末的铣削参数。较细的粉末会导致较低的烧结开始温度。更长的磨损铣削时间将导致更高的位错能量和更高的收缩。行星铣削导致飞溅的粉末, 这是适用于聚合物化合物。
      注: 调整的成功受原材料的影响。必须进行优化。烧结曲线的移位也可以通过对粉末进行分馏来产生。细粉组分倾向于在较低的温度下开始烧结。

2. 长丝生产

  1. 原料制备
    注: 对于氧化锆原料的制备, 将粉末干燥, 以减少其结块的倾向.在真空烤箱中, 在80°c 下干燥材料至少1小时。
    1. 在每小时60转的情况下, 将材料预混合在滚子转子搅拌机中30分钟。
      1. 确保温度足够高, 可以熔化所有的粘结剂组件。引入粘合剂成分, 等待熔化。每5分钟连续5次送入粉末。
      2. 在工艺结束时, 将材料从腔中取出小块, 以方便步进2.1.2。
        注: 对于这两种材料, 在热塑性原料中实现了47% 的粉末含量。
    2. 将固体材料冷却至室温后进行颗粒状或造粒。
      1. 使用切割机时, 逐步引入材料件。等待, 直到里面的作品被颗粒化, 以介绍下一个。
      2. 在研磨室的出口处, 使用 4 x 4 mm 平方穿孔的筛子, 以获得足够大小的颗粒。此过程对于双螺杆挤出机或剪切辊的连续进料 (步骤 2.1.3) 是必需的。
    3. 以较高的剪切速率对材料进行复合, 以提高分散性,例如,在共旋转双螺杆挤出机 (tse) 或剪切辊挤出机中。用传送带收集材料, 并将其冷却至室温。
      注: 在本研究中, 使用了一个共旋转双螺杆挤出机。螺杆转速设置为600转/分, 从进料区170°c 到模具中210°c 的温度分布被定义。
    4. 将固体材料冷却至室温后进行颗粒状或造粒。使用2.1.2 或在传送带末端用造粒机将物料造粒的步骤。如有必要, 重复此过程, 直到颗粒的长度等于或小于4毫米。

Figure 2
图 2: 长丝生产线.通过对挤压速度和温度的调节, 以可控的方式挤压材料。之后, 它是收集和驱动的传送带和牵引装置。测量灯丝直径, 如果值在所需范围内, 灯丝将被后台处理。为了调节灯丝尺寸, 必须逐步调整拉丝和转丝速度。请点击这里查看此图的较大版本.

  1. 长丝挤出
    注:图 2显示了灯丝制备的制造工艺方案和定义底部长丝直径的可变参数。灯丝由传送带收集, 并由两对反旋转滚子的作用拉扯。在激光测量装置中测量直径和椭圆值, 并调整工艺参数以调节长丝几何形状。这些材料最终被储存在线轴上。由于 fff 中的体积流量取决于细丝几何形状, 因此生产尺寸范围不变的细丝对于工艺的可重复性至关重要。
    1. 在 30 rpm 的温度下挤压材料, 温度高于粘结剂组件的熔点。为了更好地控制压力和灯丝质量, 请使用喷嘴直径至少为 1.75 mm 的单螺杆挤出机。
      注: 对于少量材料, 可在材料开发阶段使用高压毛细管流变仪。然而, 一个糟糕的尺寸质量的灯丝是可以预料的。
      注: 步骤2.1 和2.2.1 可在适当的双螺杆挤出过程中组合。
    2. 收集挤压材料。使用传送带收集和冷却挤压材料。使用高挤出速度时, 可能需要空气或水冷却元件。
    3. 测量和控制灯丝的尺寸。对于特定的挤压速度, 逐步调节传送带和拉速, 以调整长丝的尺寸 (降低输送机和拉速以获得更高的直径)。生产直径范围为1.70 至1.70 毫米、椭圆度小于 0.10 mm 的细丝。
      注: 椭圆值定义为最大直径和最小直径之间的差异。对于一个完全圆形的长丝, 必须获得零的椭圆度。
    4. 将材料旋转。另外一个打式机装置 (图 2) 可以放置在传送带的末端, 用于自动后台打印。

3. 绿色组件的添加剂制造

  1. 最佳工艺参数的研究
    1. 打印前, 请使用商业切片软件。该软件可用于设置打印参数, 并从3d-cad 模型生成打印设备的 g 代码。
    2. 对于打印, 请考虑以下基本参数:
    • 床的粘附温度
    • 不同材料的打印速度
    • 不同的打印温度, 以实现恒定的物料流动
    • 冷却风扇的控制, 以支持印刷钢绞线的凝固
    • 打印温度, 提高各层之间的附着力
    • 收回参数, 以避免渗出和使用 "素柱"
    • 不同的物料流, 以确保不同材料的相同钢绞线宽度
  2. 测试组件的 am
    1. 使用商用3d 打印机执行绿色样品的 am (参见材料表)。在印刷多材料组件之前, 先制造单材料测试组件。
      1. 在制造多材料组件之前, 请纠正打印机软件中任何可能的喷嘴错位。
    2. 单件制造
      1. 用氧化锆长丝装入打印头 1, 用不锈钢长丝装入打印头2。对于两条细丝, 使用 10 mm 的打印头速度和20°c 的打印床温度。将氧化锆的打印头温度设置为 220°c, 将不锈钢的打印头温度设置为240°c。
        注: 作为第一个测试几何样品, 长方体是为单个材料制造的, 并为多材料组件选择了不同的夹心设置。所有绿色部件的最终尺寸为15毫米 x 15 毫米, 厚度各不相同, 为1-3 毫米, 其层厚度为0.25 毫米。打印头温度可以变化, 以达到所需的流动性的原料。提高温度会降低粘度。这两种材料的最佳打印温度可能会有所不同。
    3. 多材料制造
      1. 通过与两个或三个不同层交替制造多材料部件,例如1 毫米不锈钢/1 毫米氧化锆/1 毫米不锈钢或1毫米氧化锆/1 毫米氧化锆。
        注: 在多部件打印中, 使用 "主柱" 进行清晰而精确的材料过渡非常有帮助。更换打印头时, 需要几毫米的长丝, 直到材料填充使用过的喷嘴进行挤压, 从而产生间隙。因此, 零件的外观并不像想象的那么好。为了避免这种行为, 打印零件旁边的 "原力柱", 这可以在软件中设置。更换喷嘴时, 将首先打印原柱的一层 (矩形塔,图 3), 以确保喷嘴已准备好并准备好打印, 然后再继续使用零件层。
    4. 制造的优化
      1. 如果需要, 请使用 "渗出罩";这是组件周围的打印薄壁 (图 4)。在零件外的第二个部件的打印头发生变化后, 当喷嘴从塔外移动时, 使喷嘴穿过这堵墙。所有粘附材料都将从该屏蔽处的喷嘴上剥落, 并可提高要打印的零件的材料沉积精度。
        注: 如果长丝的直径是恒定的, 则可以通过对流量、挤出宽度和挤出倍增器进行更精细的调整, 从而进一步优化可实现的质量。

Figure 3
图 3: 塔式金属陶瓷构件的制造工艺.请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4: 具有周围的遮阳板的组件的虚拟打印.请点击这里查看此图的较大版本.

4. 部件的脱胶和烧结

  1. 连续两个步骤进行辩论。首先, 进行溶剂萃取, 然后进行热处理, 分解残留的粘结剂成分。
    1. 在60°c 下使用环己烷与印刷的绿色部件进行溶剂萃取。用足够的环已烷覆盖样品, 并治疗 8小时. 在执行此步骤时, 请考虑消防安全方面。可溶性粘合剂含量约为 7-9 wt%, 将在此删除。
      注: 应用溶剂萃取可减少在后续热致化过程中的膨胀效果。
    2. 在氩气氛中的脱脂炉中进行热脱脂, 以保护材料不被还原 (发生在氮气气氛下) 或氧化。使用440°c 的最高温度和5°ch 和150°ch 之间的不同加热速率。
      1. 要表征或优化两种原料的脱脂行为, 请在高达600°c 的氮气流量下进行热重分析, 以评估适当的加热速率。
  2. 在高温钨炉中, 在80% 氩和20% 氢的还原气氛中进行烧结。使用3°cmin 和5°cmmin 之间的加热速率, 达到 1, 365°c 的最高温度。停留时间为3小时后, 将窑炉冷却至室温。

Representative Results

磨光时间为 180分钟, 行星球磨机 (pbm) 铣削时间为 240分钟, 得到了不锈钢烧结行为的最佳拟合结果。图 5显示了未经处理的粉末 (左)、磨损铣削后的变形颗粒 (中间) 和 pbm 铣削步骤 (右) 后的切碎颗粒的示像图像。

Figure 5
图 5: 未经处理的不锈钢 & lt;38 (d90)、磨损铣削后的不锈钢粉末 (中间) 和 pbm 铣削后的不锈钢粉末 (右)请点击这里查看此图的较大版本.

将初始钢粉和铣削钢粉的烧结行为与图6中氧化锆粉末的烧结行为进行了比较, 所有这些都是用光学膨胀计测量的。

Figure 6
图 6: 氧化锆粉末 (tz-3y-se) 和不锈钢粉末 (17-4ph) 在初始状态和对不锈钢粉末进行高能铣削处理后的稀释曲线.请点击这里查看此图的较大版本.

对氧化锆原料在高剪切复合步骤中原料力学性能的改善进行了表征。将滚子转子混合器 (rm) 中单混步75分钟产生的原料与协议中描述的方法产生的原料进行了比较。采用直径 1.75 mm、活塞速度为1毫米、温度为190°c 的高压毛细管流变仪挤压细丝。用传送带收集这些细丝, 并用万能拉伸试验机进行测试。每个材料至少进行了5次重复。图 7显示了关于极限抗拉强度 (uts)、uts 伸长率和截面模量的两种材料的比较。

Figure 7
图 7: 复合方法对氧化锆原料力学性能的影响.原料在内部滚子混合器 (rm) 中或与共旋转双螺杆步骤 (tse) 组合而成。利用极限拉伸强度 (uts)、uts 伸长率和截面模量的平均值和相应标准偏差, 确定了毛细管流变仪生产的细丝的强度、柔韧性和刚度,分别。请点击这里查看此图的较大版本.

在图 8中, 给出了在生产氧化锆 (左) 和不锈钢 (右) 原料制成的细丝过程中获得的直径值。在生产过程中, 通过单螺杆挤出记录了挤压丝的直径。对于氧化锆丝, 平均直径为1.75 毫米, 标准偏差为 0.02 mm, 可以很好地控制尺寸。对于含有改性不锈钢粉末的细丝, 观察到平均细丝直径的变异性较高。造成这种情况的一个可能原因可能是由于金属颗粒的血小板状形状而导致原料内颗粒分布不均匀 (图 5)。在这种情况下, 在 1.75 m±0.05 mm 的预期范围之外发现了更多的测量点, 平均直径值为 1.75 mm, 标准变化为 0.03 mm。对于这两种类型的细丝, 椭圆值都大大小于 0.1 mm 的限制。

Figure 8
图 8: 所研究材料的长丝直径直方图.请点击这里查看此图的较大版本.

图 9显示了制造绿色夹层结构的合适金属和氧化锆丝, 其成分为钢锆钢 (左) 以及氧化锆-钢氧化锆 (右)。

Figure 9
图 9: 绿色钢锆钢 (左) 和氧化锆-钢氧化锆成分 (右) 由 fff 额外制造.请点击这里查看此图的较大版本.

由于这两种材料的粘结剂系统相似, 可以将某些层融合到单片复合材料部分。图 10显示了具有锐利过渡的较大圆形零件。

Figure 10
图 10: 氧化锆和不锈钢之间具有尖锐过渡的结构.请点击这里查看此图的较大版本.

图 11显示了进一步处理的其他绿色单材料和多材料组件。图 12显示了一个纯氧化锆样品在左侧, 中间显示了一个纯不锈钢样品, 最后在右侧拍摄了一个烧结和连接良好的钢陶瓷复合材料。

Figure 11
图 11: 由 fff 制造的绿色测试样品; 顶部: 顶部不锈钢氧化锆-钢复合材料; 中间: 不锈钢; 底部: 氧化锆.网格框5毫米,请点击这里查看这个数字的更大版本.

Figure 12
图 12: 烧结氧化锆样品 (左)、烧结不锈钢样品 (中) 和烧结氧化锆-不锈钢复合料 (右).所有刻度以毫米为值. 请点击这里查看此图的较大版本.

图 13中, 显示了两个沉积细丝之间具有 (或子周长) 的 fff 成分的典型结构, 其结果是普通的切片 (刀具路径) 和材料沉积的连续方式。

Figure 13
图 13: 由切片和连续材料沉积引起的 fff 组分的典型结构.请点击这里查看此图的较大版本.

通过提高切片软件中的挤出倍增器, 从而获得更高的体积沉积, 可以减少子周长, 并调整刀具路径。然而, 由于细丝中颗粒含量高, 沉积行为明显不同于热塑性塑料的普通印刷。因此, 需要修改软件来弥补这些缺陷。

溶剂脱脂、热脱脂和随后的烧结后, 所有不同的样品均未出现明显的变形或膨胀。烧结纯氧化锆和不锈钢 fff 试样具有良好的几何稳定性, 且具有压缩载荷和无屈曲性。总质量损失为 14.8-14.9%, 表明完全脱脂。

金属陶瓷样品对两种材料均具有良好的宏观附着力。复合材料烧结后的质量损失为 14.1-14.4%, 这也表明了完全的脱脂。随后将进行进一步分析和流程调整。复合材料的电子显微镜表征旨在提供对复合材料质量的深入了解。所需的复合材料的形成已成功地发生, 如图 14所示。

Figure 14
图 14: 扫描电镜图像的微观结构在金属陶瓷界面显示材料接头.请点击这里查看此图的较大版本.

结果表明, 采用 fff 将导电电隔离性能转化为一个组分, 是制备金属陶瓷复合材料的一种有前途的方法。此外, 由于不锈钢具有良好的材料粘结性和焊接性, 陶瓷部件在金属环境中的实施成为可能。在欧盟内部, 项目加热装置由 fff 制造, 其中含有由不锈钢制成的非导电 zro2基体中的导电路径。图 15显示了烧结样品。这些多材料组件必须在将来进行分析和测试。

Figure 15
图 15: 氧化锆和不锈钢制成的烧结加热元件请点击这里查看此图的较大版本.

图 16图 17显示了新的打印头, 其中两个 fff 打印头和两个 t3dp 打印头作为 cad 模型 (图 16), 并在 fff 设备中实现 (图 17)。一个挑战是控制这两个系统的输出。对于微型点胶装置, 输出由压电驱动活塞的频率控制, 而不是 fff 打印头内皮带驱动的步进电机速度控制。今后必须对这两种设备的交互进行测试。

Figure 16
图 16: 新打印头的 cad 模型, 有两个 fff 打印头和两个 t3dp 打印头.请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 17
图 17: 新打印头的图像, 有两个 fff 打印头和一个 t3dp 打印头 (左).请点击这里查看此图的较大版本.

Discussion

由于具有可比的 cte、烧结温度和烧结气氛, 这里使用的氧化锆和不锈钢非常适用于金属陶瓷部件的共烧结。通过对不锈钢粉末的处理, 可以成功地调整氧化锆和不锈钢原料的烧结行为 (图 9)。利用上述材料和方法, 首次利用 fff 制造宏观无缺陷零件。据作者所知, 除了 t3dp19,20 外, 没有其他可比的 am 方法制造此类部件。图 17显示了金属陶瓷元件的一个应用, 即在隔离氧化锆基体中带有导电环状不锈钢的加热元件。

金属和陶瓷部件 fff 面临的主要挑战之一是, 由于固体含量高, 细丝的刚度和脆性急剧增加。因此, 选择合适的粘合剂组件是项目成功的关键因素。此外, 使用高剪切混合技术可以提高细丝的强度和柔韧性 (图 7)。根据以往对高填充系统28的研究, 这种改善可能是由于粉末分散和减少了 29, 30 团聚体.

在长丝生产过程中, 对挤压、拉拔和转丝速度的研究和调整, 使生产出尺寸合适的高颗粒填充细丝。其他参数, 如挤出机内的温度分布以及冷却装置的使用, 对长丝质量有显著影响, 并经过精心选择。

在 fff 装置中成功地加工了两种丝。在绿色状态下, 原料之间的粘附度非常好 (图 7-9)。只有一些未填充的小卷是可见的, 这通常是为最先进的 fff 进程的状态 (图 13)。为了用热塑性材料关闭这些临界体积, fff 装置配备了两个微点胶装置, 它们来自 t3dp1819203132,允许单个液滴的沉积, 以关闭不足的填充量以及更精细结构的制造 (图 1415)。

零件复杂度或分辨率的几何限制在很大程度上取决于打印机设置连续的物料流以及使用的切片软件。设计规则和由此产生的部分外观最多只能发现类似于使用塑料的 fff。

Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

该项目已收到欧洲联盟《地平线2020》研究和创新方案根据《豁免8503赠款协定》提供的资金。

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. ISO/ASTM 52900:2015(en): manufacturing - General principles - Terminology. (2015).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Chartier, T., Badev, A. Rapid Prototyping of Ceramics. Handbook of Advanced Ceramics 2nd ed. Somiya, S. Elsevier Inc. Oxford, UK. (2013).
  5. Travitzky, N., et al. Additive Manufacturing of ceramic-based material. Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Homa, J. Rapid Prototyping of high-performance ceramics opens new opportunities for the CIM industry. Powder Injection Moulding International. 6, (3), 65-68 (2012).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Kieback, B., Neubrand, A., Riedel, H. Processing techniques for functionally graded materials. Materials Science and Engineering - A. 362, (1-2), 81-106 (2003).
  14. 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).
  15. Moritz, T., et al. Material- and process hybridization for multifunctional ceramic and glass components. Ceramic Applications. 5, (2), 66-71 (2017).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Agarwala, M. K., et al. Structural Ceramics by Fused Deposition of Ceramics. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. (1995).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Mutsuddy, B. C., Ford, R. G. Ceramic injection moulding. Chapman & Hall. London. (1995).
  28. Edirisinghe, M. J., Evans, J. R. G. Compounding Ceramic Powders Prior to Injection Moulding. Proceedings of the British Ceramic Society. 38, 67-80 (1986).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

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

    Usage Statistics