金属-セラミック部品の溶融フィラメント製作 (FFF)

Engineering
 

Summary

ショー マルチ材料添加剤の製造を使用して (いる) この研究融合フィラメントの作製 (FFF) ステンレス鋼とジルコニア。

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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).

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Abstract

工業用セラミックスは、産業・研究用だけでなく、消費財のために広く使用されます。今日、多様なカスタマイズ オプションおよび有利な生産方法で複雑な形状の需要が継続的に増加しています。溶融フィラメント製造 (FFF)、材料効率の高い大規模で複雑な部品を迅速に生成することが可能です。FFF の連続的な熱可塑性のフィラメントが加熱ノズルで溶かしより下堆積します。コンピューター制御のプリント ヘッドは層の層の所望の形状を構築するために移動します。調査金属の印刷に関する研究や産業においてセラミックスがますます増加しているか。この研究の焦点技術セラミックと金属 (ステンレス) を組み合わせる多素材のアプローチと添加剤の製造 (午前) (ジルコニア: ZrO2)。これらの材料を組み合わせるさまざまな異なる電気的および機械的物性により、アプリケーションを提供しています。紙は、素材と原料、デバイス開発、およびこれらの複合材料の印刷の準備のために主要な問題を示しています。

Introduction

ISO/ASTM によると添加物 (午前) の製造は材料1の連続添加による幾何学的表現に基づく物理オブジェクトを作成する技術の総称です。したがって、これらのテクノロジは、著者に知られている他の整形技術では得られない非常に複雑なジオメトリを持つ部品の製造の可能性を提供しています。

セラミック材料は、過去四分の一世紀2,3; 異なる AM 技術の早期開発以来研究されています。ただし、セラミック部品の添加剤の製造は、最先端のポリマーまたは金属成分の添加剤の製造とは対照的ではありません。セラミック部品に使用される AM テクノロジーについてのいくつかの概要は変わってによって与えられます。4、Travitzky5ゾッカ6、- 使用される材料、粉体材料、液晶材料、固体材料4,5の状態に従ってまたは材料の堆積・凝固6 の種類に従って分類することができます。.午前のデバイスが利用可能なほとんどのアプリケーション7,8,9,10の目的のプロパティと高密度・高品質のセラミック部品の添加剤の製造を許可します。,11

セラミック部品の生産複雑な処理を必要とし、セラミックスの午前で進捗が止まっているこの。それにもかかわらず、セラミック部品に欠かせない特別な消費財、医療機器の午前「不可能」ジオメトリ12新規部品の作製に新しい展望を開きます。テクニカル セラミック部品、製造部品のそれに続く熱処理が必要 AM 以来セラミックスの成形粉末を削除する必要があります有機バインダーで中断を使用する必要 (すなわち脱脂、) 前に、。粉を融合 (すなわち、焼結)。

マルチ材料または多機能コンポーネントの午前午前の利点を組み合わせたセラミック ベースの 4 D コンポーネント14に傾斜機能材料 (FGM)13 .材料のハイブリッド車は、電気的導電性/絶縁性、磁性/非磁性、延性/ハード ディスクまたは別の着色などのプロパティの組み合わせを許可します。ハイブリッド コンポーネントは、MEMS (微小電気機械システム)15同様から知られているセンサーやアクチュエータ機能を発揮することができます。さらに、金属/セラミックス複合体は、従来溶接スティール ・ パートナーズを使用することができますので機械にセラミック部品の結合を補完できます。

欧州のプロジェクト cerAMfacturing (EU プロジェクト脱 678503) は単一材料の部品のための午前技術だけでなく、午前の連続生産を可能にする多材料の部品のためのまったく新しいアプローチを開発してカスタマイズされたと様々 なアプリケーションの12の多機能成分です。3 つの異なるサスペンション ベース午前技術は、セラミックと金属-セラミック部品の午前を許可するように修飾されます。サスペンション ベース午前技術の利用は、粉体ベースの方法と比較して改善されたコンポーネントのパフォーマンスを約束します。高密度微細構造と低面粗度燒結部品は、グリーン密度は高く懸濁液に粉末の粒子分布がより均一に粉体層よりもコンパクト、ためこれらの成形方法は生成します。レベル12

リソグラフィーを用いた陶磁器製造 (LCM)7,8,9,1011,16,17と共にフィラメント製造 (FFF) を融合し、熱可塑性 3 D 印刷 (T3DP)12,14,18が開発されています。FFF と T3DP は、蒸着選択性と14 レイヤー全体をくまなく沈着物の純粋な選択的凝固ではなく特定の材料の凝固のため LCM より複数材料部品の午前に適しています。.

FFF と LCM と比較して T3DP の追加の利点は、光硬化性ポリマーではなく熱可塑性バインダー システムの使用です。バインダー システムにより、吸収、排出など暗い部分と明るい材料 (表示範囲)、生産に必要な電磁波の反射などの光学的性質の独立した粉末の処理金属-セラミック部品19,20。さらに、多種多様な標準的なデバイスが利用できるので、低投資は FFF 装置に必要です。この技法は、材料効率化、リサイクル可能な材料のため経済的。最後に、FFF はプロセスが車軸上プリント ヘッドの移動に依存しているので、大型部品用高級やすいです。

FFF を用いた金属-セラミックス複合材料の製造の最初の結果について述べる。また、FFF と T3DP ユニットの技術的な組合せの提示、それはまだ開発中ですが。FFF プロセス熱可塑性ポリマー フィラメントを溶かし、2 つのカウンター回転要素の作用によって選択的に押出成形します。一度材料をノズルから押し出すと、コンポーネントをレイヤーごとの生産を有効にする冷却、凝固します。最終的なセラミックと金属部品を生産するには、プロセスの変形は開発21,22,23,24,25,26をされています。高分子化合物、バインダー、として知られている高いセラミックまたは金属粉末に満ちています。一度コンポーネントの形成は、FFF の従来のアプローチを使用して行われている、2 つの追加手順が必要です。まず、ポリマー部品多数のマイクロ サイズの細孔を有する構造の生成、脱脂の段階で、完全に標本から削除する必要があります。最終的な特性を達成するために、圧粉体は材料の融点以下の温度で焼結後。このアプローチでは、窒化ケイ素、石英、圧電セラミックス、ステンレス鋼、炭化タングステン コバルト、酸化チタンやアルミナの23,24,25などの材料の生産を使用してください。正常に行った別の場所。

高充填ポリマー フィラメントの使用、プロセスの特性は、材料21で特定の要件を課します。熱可塑性バインダー成分と粉体は、混練などの有機バインダー成分の融点以上の温度での配合技術を使用して均一分散する必要がありますと良い互換性を提供必要がありますまたはローリングをせん断します。固体のフィラメントは、溶融した物質をプッシュする印字ヘッドのピストンとして機能するがある、ので、高剛性・低粘度は 0.3 から 1.0 mm まで及ぶ典型的な直径を持つノズルによる材料の押出成形を有効にする必要があります。一方、材料は十分な柔軟性とスプールできるフィラメントを形にする力を所有しなければなりません。粉体の高負荷をしながら、これらのすべてのプロパティを結合するには、システムがされている別の多成分バインダーは21,22,26を開発しました。

十分なバインダー製剤の使用、に加えて新しい駆動システムはこの作品で採用されています。一般的に、歯の駆動輪、ノズルを通してフィラメントをプッシュする使用されます。これらの歯は脆性のフィラメントに損傷を与えます。フィラメントの機械的な要件を減らし、FFF プロセス中に押出圧力を高めるために歯の駆動輪の従来の FFF システムは特別なデュアル ベルト システムに置き換えられました。高摩擦とガイダンスは、長さ、形状、およびベルトの特殊なラバー コーティングにより生成されます。最も重要な問題は、任意のプリント ヘッドを通してフィラメントの座屈防止だった。フィラメントは、ノズルに導かれる必要があります、空き領域は許可されません、コンポーネント間の必要なトランジションが考慮されなければなりません。

給紙ユニットを残して後、は、フィラメントはノズル ユニットを入力します。主な目的は設計温度管理とギャップレス指導.先進のプリント ヘッドは図 1に示します。

Figure 1
図 1: CAD モデルの新しいベルト ドライブ ユニット (上) と (下) の実際の装置のイメージこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

金属-セラミックス部品の製造は、熱処理 (熱膨張 (CTE)、温度、雰囲気の比較係数) 共同処理ができる粉体の選択のために対処するもう一つの大きな課題と特に焼結の段階両方の材料の収縮挙動の調整。この作品で試みはジルコニアを結合させるし、匹敵する CTE (約 11 × 10-6/K) が、同じ条件で焼結することができますステンレス 17-4 ph を変更 (焼結温度水素還元: 1350-1400 ° C)。ただし、収縮挙動を調整するため、金属粉末を特殊な加工手順は必要な19,20です。

Protocol

1. 使用材料

  1. バインダー コンポーネントの選択
    1. 高充填化合物 (約 50 巻 % の粉内容) FFF に対して定義されている条件に従ってバインダー システムを選択: 高強度、十分な剛性、低粘度、スプールの柔軟性。高固体荷重によって、柔軟性の大幅な削減と、粘度の増加が期待できます。
      注: この研究では、多成分のバインダー システムが採用されました。大半のコンポーネントは、柔軟性と強度を向上させる熱可塑性エラストマーから成っていた。機能性ポリオレフィンは、粉体との密着性を向上するためのバックボーンとして含まれていた。最後に、(およそ 5 巻 %) ステアリン酸は粉末の良好な分散性の界面活性剤として設立されました。機密保持上の理由から、詳細は公開できません。
  2. 粉体の選択
    1. 多素材のアプローチに適した粉末カップルを選択します。セラミックと金属粉の共同処理のため同じ焼結雰囲気中で焼結過程における熱膨張 (CTE) の同じ係数と同じ収縮挙動と材料を選択します。
    2. 特定のセラミック材種を選択します。CTE と特殊ステンレス鋼高靭性、このセラミック材料の曲げ強度に匹敵する焼結温度によるイットリア安定化ジルコニアを選択します。ジルコニア粉末を使用し 7 ± 2 m2/g の比表面積と d50粒径 0.5 μ m を =。
    3. 特定の金属のグレードを選択してください。導電性、延性金属材料としてステンレス鋼粉末を使用します。材料は、匹敵する CTE と焼結温度保護水素雰囲気下におけるジルコニアのそれらに同じような範囲が必要です。
  3. 焼結挙動の調整
    1. 焼結共同ストレス フリーを達成するために両方の粉末タイプの温度依存のひずみ挙動 (焼結・熱膨張収縮) を調整します。使用されるジルコニア粉は微細粒子により高い表面エネルギーがあるので、粒子の比較的大きい金属を精製し、原子の格子の変形による転位密度の増加によってステンレス鋼粉末を変更します。
      注: まず敵地内損耗によるフライス加工、中に鋼球、高転位密度が薄くて脆いフレークに再形。第二に高エネルギー加工手順 (遊星ボールミル法、PBM) で、脆いフレークに分割されます非常にきめの細かい粒子焼結能力の向上を。この方法で金属粉末焼結活性の上昇まで、縮小のカーブ差19,20だけを示すジルコニアの曲線に調整されます。
      1. 離職 (180 分) を再に薄くて脆いフレークを形成するステンレス鋼の球状粒子に加工を適用します。
      2. 減少のアスペクト比が焼結能力の向上と非常にきめの細かい粒子に脆いフレークを侵入する遊星ボールミル (240 分) を実行します。
  4. 調整成功を評価します。
    1. 適した材料成形体の収縮動作を測定し、結果を比較するロッドまたは光学式熱膨張計を使用します。同じ両方の材料の体積粉コンテンツを使用し、(料金、雰囲気、最高温度、滞留時間を加熱) 同じ測定を適用します。
    2. 焼結挙動の高の不一致がある場合は、ステンレス鋼粉末の加工パラメーターを調整します。細かい粉末は、低い焼結温度の開始に します。加工時間長い消耗戦は、高い転位エネルギーと高い収縮に します。自公転ミーリングは、鮮血の粉、ポリマー化合物に適用されるに します。
      注: 調整の成功は、原料によって影響されます。最適化を実施する必要があります。焼結曲線のシフトすることができます下で粉末を生成します。微粉末の分数は低い温度で焼結を開始する傾向があります。

2. フィラメント生産

  1. 原料の準備
    注: ジルコニア原料の準備、27を凝集する傾向を減らすために粉末を乾燥します。真空オーブンで 80 ° C で 1 時間の最小値のための材料を乾燥させます。
    1. あらかじめ 60 rpm で 30 分間ローラー ローター ミキサーで材料を複合します。
      1. 温度が十分に高いすべてのバインダー成分を溶かすようにします。バインダー コンポーネントを紹介し、溶解するまで待ちます。5 分ごと 5 連続負荷で粉をフィードします。
      2. プロセスの最後に、2.1.2 のステップを容易にする小さな断片に商工会議所から素材を抽出します。
        注: 両方の材料熱可塑性原料内 47 巻 % の粉内容が実現しました。
    2. 顆粒または固体材料を室温に冷却した後キーワードします。
      1. 切削工場が使用される場合は、徐々 に素材の部分を紹介します。内部の部分は次のものを導入する微粉末まで待ちます。
      2. 研削室の出口で十分なサイズの顆粒を得るため乗 4 × 4 mm ミシン目でふるいを使用します。この手順は、ツイン スクリュー押出機やせん断ローラー (ステップ 2.1.3) の連続的供給必要です。
    3. 複合分散を改善する高せん断速度における素材、例えば、共同回転ツイン スクリュー押出機 (東証) やせん断ロール押出機。コンベア ベルトの素材を収集し、室温まで冷却します。
      注: この研究では、共同回転ツイン スクリュー押出機が使用されました。スクリュー回転数は 600 rpm と温度プロファイルを 170 ° C から補給でまで設定金型で 210 ° C で定義されました。
    4. 顆粒または固体材料を室温に冷却した後キーワードします。2.1.2 のプロシージャを使用するか、ペレタイザーとベルトコンベアの端材をキーワードします。必要に応じて、ペレット長さが等しいまたは 4 mm 未満になるまで、プロセスを繰り返します。

Figure 2
図 2: フィラメント ライン。材料は、押出速度と温度の調節によって制御された方法で押し出されます。その後、それの収集し、コンベア ベルトと引取り装置によって駆動されます。フィラメントの直径を測定し、値が目的の範囲内の場合、フィラメントはスプールします。フィラメントの寸法を調整するためは、引っ張ると糸巻きの速度を徐々 に調整する必要があります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

  1. フィラメント押出
    注:図 2は、フィラメントの準備のため製造工程と下部にフィラメントの直径を定義する変数パラメーターのスキームを示します。フィラメントはコンベヤー ベルトによって収集された、カウンターのローラーの回転の 2 つのペアのアクションによって引かれます。直径、楕円率の値はレーザー測定装置で測定され、フィラメント形状を規制するプロセスのパラメーターが調整されます。材料は、スプールに最後に格納されます。FFF の出来高のフローはフィラメント形状の依存しているので、寸法の一定範囲でフィラメントの生産はプロセスの再現性にとって重要です。
    1. バインダー成分の融点以上の温度で 30 回転で材料を押し出します。圧力とフィラメントの品質の良い制御、ノズル直径 1.75 mm 以上の単一ねじ押出機を使用します。
      注: 材料の少量の高圧シリンダーは材料開発フェーズで使用できます。それにもかかわらず、フィラメントの三次元質の悪いが期待できます。
      注: 手順 2.1 と 2.2.1 は、十分なツイン スクリュー押出プロセスで結合できます。
    2. 押出された材料を収集します。コンベア ベルトを使用して収集し、押出された材料を冷やします。空気または水冷却要素を必要な高押出速度を使用する場合することができます。
    3. 測定し、フィラメントのディメンションを制御します。特定押出速度のため徐々 にコンベア ベルトを調節し、フィラメントの寸法を調整する速度を引っ張って (コンベアを減少、牽引速度の高い直径)。1.80 1.70 mm と楕円率 0.10 mm 未満の直径範囲でフィラメントを生成します。
      注: 楕円値は、最大値と最小直径の差として定義されます。完璧なラウンド フィラメントのゼロの楕円率を得なければなりません。
    4. スプール素材。追加スプール ユニット (図 2) は、自動スプール用ベルトコンベアの終わりに配置できます。

3 緑成分の添加剤の製造

  1. 最適な工程パラメーターの検討
    1. 印刷前にスライスの商用ソフトウェアを使用します。印刷パラメーターを設定するのには、3 D CAD モデルの印刷デバイス用 g コードを生成する、このソフトウェアを適用できます。
    2. 印刷では、次の必須パラメーターを考慮してください。
    • ベッドの接着層温度
    • さまざまな素材の印刷速度
    • さまざまな印刷温度一定のマテリアル フロー
    • 印刷された繊維の凝固をサポートするファンの制御
    • 改良された接着層間温度を印刷します。
    • にじみ出ると「プライム柱」を使用して避けるために撤回パラメーター
    • 異なる材料の同じ鎖幅を確保するためにさまざまなマテリアル フロー
  2. テスト コンポーネントの午前
    1. 商業の 3 D プリンターと緑サンプルの AM を実行 (材料の表を参照してください)。複数材料部品を印刷する前に単一素材テスト コンポーネントを製造してください。
      1. 複数材料部品を製造する前にプリンタ ソフトウェアでノズルの任意の可能な位置ずれを修正します。
    2. 1 つのコンポーネントの製造
      1. プリント ヘッド ジルコニア フィラメントと 1 とステンレス鋼フィラメントとプリント ヘッド 2 をロードします。10 mm/s のヘッド スピードと印刷層温度 20 ° C の使用両方のフィラメントジルコニアのプリント ヘッド温度を 220 ° C およびステンレス鋼 240 ° c に設定します。
        注: 最初のテスト ジオメトリ サンプルとして直方体は単一材料の製造された、マルチマテリアル コンポーネントの別のサンドイッチ セットアップが選択されています。すべての緑コンポーネントは、最終的な寸法 15 mm × 15 mm と様々 な厚さの 1 〜 3 mm と 0.25 mm の層の厚さで製造されました。原料の必要な流動性を達成するために、プリント ヘッドの温度を変えることができます。温度を上げ、粘度の低減につながります。2 つの材料の最適な印刷温度が異なる場合があります。
    3. マルチ材製造
      1. 交互に 2 つまたは 3 つの異なる層は、例えば複数材料部品の製造。、1 mm ステンレス/1 mm ジルコニア/1 mm ステンレス鋼または 1 mm ジルコニア/ステンレス 1 mm/1 mm ジルコニア。
        注: マルチ コンポーネントの印刷のこと非常にシャープかつ正確な材料遷移の「プライム柱」を使用すると便利です。プリント ヘッドを変更すると、フィラメントの数ミリが必要材料が、押し出されることに使用されるノズルをいっぱいになるまでのギャップに 。したがって、部品の外観はほど良いことはありません。この動作を回避するには、パーツの横にある「プライム柱」を印刷、これはソフトウェアで設定することができます。プライムの柱 (長方形タワー、図 3) の層ノズル、ノズルがプライムと一部層に進む前に印刷する準備ができてことを確認を変更するときは、最初に印刷されます。
    4. 製造の最適化
      1. 盾を使用、「にじみ出る-"必要な場合これはコンポーネント (図 4) の周りの印刷された薄い壁です。プリント ヘッド部品の外側 2 番目のコンポーネントを変更した後塔から移動するときに、この壁をクロス ノズルがあります。このシールドでノズルからすべて付着物質が剥離して印刷される部分に材料の蒸着の精度を高めることができます。
        注: 品質を達成に関するさらに最適化は、フィラメントの直径が一定と仮定すると流れ、押出幅、および押出乗数の細かい調整が可能。

Figure 3
図 3: 塔状構造物の金属-セラミック コンポーネントの製造工程ですこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 4
図 4: にじみ出るシールドを周囲のコンポーネントの仮想印刷しますこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

4. 脱脂工程と焼結部品

  1. 2 つの連続した手順で脱脂を行います。まず、溶媒抽出、および残留バインダー コンポーネントを分解するため、熱処理を実行します。
    1. 60 ° C でシクロヘキサンを使用して印刷された緑の部分と溶媒抽出を行うサンプルは十分なシクロヘキサンをカバーし、この手順を遂行した場合 8 h. 検討火災安全の側面のそれらを扱います。可溶性のバインダー量約 7-9 重量 % はここで削除されます。
      注: は、後続の thermaldebinding 中に効果を膨満感を減少につながる溶媒抽出を適用します。
    2. (窒素雰囲気下で発生した) 還元や酸化から材料を守るためのアルゴン雰囲気脱脂炉熱脱脂を実行します。440 ° C と異なる昇温速度を 5 ° C/h と 150 ° C/h の間の最高温度を使用します。
      1. 特徴付ける両方の原料の脱脂の動作を最適化するには、適用する熱重量分析窒素下で流れ適切な加熱速度を評価する 600 ° C まで。
  2. 80% アルゴンおよび高温のタングステン炉で 20% の水素の還元性雰囲気中で焼結を行います。1,365 ° C の最大温度に達するまで 3 ° C/分と 5 ° C/分間加熱率を使用します。3 h の滞留時間後、室温に窯を冷やして下さい。

Representative Results

最高のステンレス鋼焼結挙動の結果は、敵地内損耗による加工時間 180 分、240 分の時間をフライス遊星ミル (PBM) が得られました。(右) (左) 未処理の粉末、加工 (中央)、離職後変形粒子、PBM ミリング ステップ後みじん切りの粒子の SEM 写真を図 5に示します。

Figure 5
図 5: 未処理のステンレス鋼 < 38 μ m (D90) (左)、ステンレス鋼粉末加工 (中央)、離職後、PBM (右) を加工後のステンレス鋼粉末この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

初期および粉砕された鋼の粉末の焼結挙動は図 6、光学式熱膨張計で測定したすべてのジルコニア粉末の焼結挙動と比較されます。

Figure 6
図 6: ジルコニア粉末 (TZ-3Y-SE) およびステンレス鋼の粉末 (17-4 ph) 初期状態では、ステンレス鋼粉末の高エネルギー加工処理後の膨張曲線この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

高剪断の配合手順で原料の機械的性質の改善は、ジルコニア原料の特徴だった。ローラー ローター ミキサー (RM) で 75 分の配合一歩で生産された原料は、プロトコルで説明した方法で生産されたものと比較しました。フィラメントは直径 1.75 mm、ピストン速度 1 mm/s および 190 ° C の温度の金型で高圧シリンダーを使用して押し出されました。フィラメントはベルトコンベアに採集や万能引張試験機でテストします。素材あたり少なくとも 5 の繰り返しを行った。最終的な引張強さ (UTS)、引張、伸び、割線係数に関する両方の材料の比較を図 7に示します。

Figure 7
図 7: ジルコニア原料の機械的性質の配合法の影響。原料は、内部ローラ ミキサー (RM) または共同回転ツイン スクリュー ステップ (東証) との組み合わせで悪化しました。フィラメント、キャピラリーレオメータで生産の剛性と強度、柔軟性は UTS と割線係数、平均値と最終的な引張強さ (UTS)、伸長の特派員の標準偏差を使用して求めたそれぞれ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

図 8(左) ジルコニア製フィラメントの生産の間に直径の値が得られる、ステンレス鋼 (右) 原料が表示されます。押し出しのフィラメントの直径は、シングル スクリュー押出成形による生産プロセス中に記録されました。ジルコニア繊維の平均直径 1.75 mm と標準偏差 0.02 mm の寸法の良好な制御を達成できます。フィラメントを含んでいる変更されたステンレス鋼粉、平均繊維直径の高い変動を観察しました。これの可能な理由は、金属粒子 (図 5) の血小板のような形状から生じる原料内の不均一な粒子分布可能性があります。1.75 mm ± の目的の範囲外の測定ポイント数の増加が見つかりましたこの場合、0.05 mm、平均直径値 0.03 mm の標準的な変化と 1.74 ミリメートルであった。フィラメントの両方のタイプの楕円寸法値が 0.1 mm の範囲よりかなり小さかった。

Figure 8
図 8: 研究用フィラメント径ヒストグラムこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

組成鋼-ジルコニア - 鋼 (左) ジルコニア鋼ジルコニア、(右) グリーン サンドイッチ構造の製造に適した金属とジルコニア フィラメントを図 9に示します。

Figure 9
図 9: グリーン鋼-ジルコニア-鋼 (左) とジルコニア製ジルコニア相加的 FFF 製コンポーネント (右).この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

両方の材料の同様のバインダー システムによりモノリシック複合部分に特定のレイヤーを合成することが可能です。急激な変化で一部形ラウンドより大きいは、図 10に示します。

Figure 10
図 10: ジルコニアとステンレス鋼との間の急激な遷移構造この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

図 11コンポーネントを示しますその他グリーン シングルとマルチ素材さらに処理されました。図 12は、純粋なステンレス鋼のサンプルを示し、右側の焼結とよく結合されたスチール セラミック複合が最後に描かれています中央左側にある、純粋なジルコニアのサンプルを示します。

Figure 11
図 11: FFF 製緑試料; トップ: 複合材料ジルコニア-鋼-ステンレス鋼上; 中央: ステンレス; 下: ジルコニア。グリッド ボックス 5 mm.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 12
図 12: ジルコニア サンプル (左)、焼結ステンレス鋼 (中央) を焼結し、焼結ジルコニア ステンレス鋼複合 (右).すべてのスケールで mmこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

図 13には 2 つの蒸着フィラメント間股間 (またはサブの境界) で FFF コンポーネントの典型的な構造が表示されます、普通スライス (ツール パス) と材料蒸着の連続的な方法に起因します。

Figure 13
図 13: FFF コンポーネントをスライスしてから、その結果の典型的な構造と継続的な材料蒸着しますこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

高いボリューム沈着につながる、スライスのソフトウェアで押し出しの乗数を高めることによって、サブの境界は減少と同様、ツール パスを適応できます。それにもかかわらず、フィラメント中の粒子の含有量が高いため析出挙動熱可塑性樹脂の通常の印刷とは異なることは明らかです。したがって、そのような欠陥を閉じますソフトウェア変更が望ましいです。

後溶剤脱脂、熱脱脂工程と後続の焼結、すべての異なるサンプル重要な変形を示さなかったまたは膨満感します。焼結純粋なジルコニアとステンレス鋼の FFF の標本と圧縮荷重せず良い幾何学的な安定性、彼らは曲がっていません。総質量損失は 14.8 14.9%、完全な脱脂を示します。

金属-セラミック試料の両方の材料の巨視的密着。14.1 14.4%、完全脱脂をまた示す発見された複合材料の焼結後の質量の損失。さらに分析とプロセスの調整を行います。複合体の電子顕微鏡解析の複合の品質への洞察力を提供するものです。複合形成の目的は、図 14に示すように、正常に開催をされています。

Figure 14
図 14: 材料の共同を示す金属セラミックス界面の微細構造の SEM 像この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

結果は 1 つのコンポーネントに電気的導電性・電気絶縁特性を生成する FFF を用いた金属-セラミック複合材料を製造するための有望なアプローチを示します。さらに、金属の環境にセラミック部品の実装が良好な材料接着とステンレス鋼の溶接性のために可能になります。、EU 内でプロジェクト加熱装置は、非導べ電性 ZrO2マトリックスでステンレス製の電気導電性経路を含む FFF によって製造されました。図 15は、焼結体のサンプルを示しています。これらの複数マテリアル コンポーネントを分析し、将来的にテストする必要があります。

Figure 15
図 15: ジルコニアとステンレス製の要素を加熱焼結この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

図 16図 17 2 FFF 印刷および 2 つの T3DP 印刷ヘッドと新しいプリント ヘッド CAD モデル (図 16) と同様表示 FFF 装置 (図 17) で実装されています。1 つの課題は、両方のシステムの出力の制御です。調剤ユニット マイクロの出力は FFF 印刷ヘッド内のベルト ドライブのステッピング モーター速度の代わりにピエゾ駆動ピストンの周波数によって制御されます。両方のデバイスとの相互作用は、将来的にテストする必要があります。

Figure 16
図 16: 2 FFF 印刷および 2 つの T3DP 印刷ヘッドと新しいプリント ヘッドの CAD モデルこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 17
図 17: FFF 印刷ヘッドが 2 つと 1 つの T3DP プリント ヘッド (左) 新しいプリント ヘッドのイメージこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Discussion

ジルコニアとここで使用されるステンレス鋼は、匹敵する CTE のため金属-セラミック部品の共同焼結、焼結温度、焼成雰囲気に非常に適しています。ジルコニア及びステンレス鋼原料の焼結挙動は、ステンレス鋼の粉末 (図 9) の治療によって正常に調節できます。上記の材料と方法を使用して、初めて FFF による巨視的欠陥のない部品を製造することが可能です。筆者の知る限り、T3DP19,20を除いてこのような部品を製造する他の同等の午前方法はわかっていません。図 17に、電気導体ループでステンレス鋼を分離するジルコニア マトリックス加熱要素である金属セラミック部品の 1 つのアプリケーションを示します。

金属とセラミック成分の FFF の主要な課題の 1 つは、剛性の劇的増加と高固形分によるフィラメントの脆性です。したがって、右バインダー コンポーネントの選択は、プロジェクトの成功のための重要な要因だった。さらに、強さとフィラメントの柔軟性は、高剪断撹拌が技術 (図 7) の使用によって改善できます。高充填システム28と以前の研究によるとこの改善は、良い粉体分散・凝集29,30省によって引き起こされる可能性があります。

調査と押し出し、引っ張り、フィラメントの生産プロセス中に速度をスプールの調整は、適切なサイズと高い粒子充てん繊維の生産を許可しました。著しく冷却装置の使用と同様に押出機内温度分布のようなその他のパラメーターはフィラメントを及ぼしてし、慎重に選ばれました。

両方のフィラメントは、FFF 装置で正常に処理されました。原料との密着性は緑の状態 (図 7-9) で非常に良いことが判明しました。いくつかの小さな塗りつぶされていないボリュームだけは、最新式の FFF プロセス (図 13) に通常である、表示でした。T3DP18,19,20,31,32から知られている 2 つのマイクロ調剤ユニットが装備されていた FFF 装置、熱可塑性材料でこれらの重要なボリュームを閉じますが細かい構造 (図 1415) の製造と同様、不十分な満たされたボリュームを閉じるに滴の沈着を許可します。

その複雑さや解像度の幾何学的な制限は、継続的な材料フロー使用されるスライスのソフトウェアだけでなく、プリンターの設定に強く依存します。デザイン ルールと結果の一部外観はプラスチックの FFF を使用して同じようなことが判明せいぜい。

Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

このプロジェクトは、欧州連合の地平線 2020年研究助成契約なし 678503 の下で革新プログラムから資金を受けています。

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

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