금속-세라믹 부품의 융합된 필 라 멘 트 제조 (FFF)

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Summary

이 연구 쇼 멀티 소재 첨가제 제조 () 사용 하 고 필 라 멘 트 제조 (FFF) 스테인리스 및 지 르 코니 아의 융합.

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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

기능성 세라믹 산업 및 연구 응용 프로그램 뿐만 아니라 소비재에 널리 사용 됩니다. 오늘, 다양 한 사용자 지정 옵션 및 유리한 생산 방법을 가진 복잡 한 형상에 대 한 수요는 지속적으로 증가 하고있다. 융합 된 필 라 멘 트 제조 (FFF), 고효율 소재 크고 복잡 한 구성 요소를 신속 하 게 생산 가능 하다. FFF, 연속 열가 소성 필 라 멘 트가 열된 노즐에 녹아 이며 아래 입금. 컴퓨터 제어 인쇄 머리 원하는 모양 레이어, 레이어를 구축 하기 위해 이동 합니다. 조사에 관한 금속 인쇄 또는 세라믹 연구와 산업에서 점점 더 증가 하 고 있습니다. 이 연구는 기술 세라믹과 금속 (스테인레스 스틸)를 결합 하 여 멀티 소재 방식으로 첨가제 제조 (오전)에 초점을 맞추고 (지 르 코니 아: ZrO2). 이러한 자료를 결합 하 여 그들의 다른 전기 및 기계적 특성으로 인해 응용 프로그램의 광범위 한 다양 한을 제공 합니다. 종이 준비 재료와 원료, 장치 개발, 및 이러한 복합의 인쇄의 주요 문제를 보여 줍니다.

Introduction

ISO/ASTM에 따라 첨가제 (오전) 제조 기술 만들 재료1의 연속 된 추가 의해 기하학 표시에 따라 물리적 개체에 대 한 일반적인 용어입니다. 따라서, 이러한 기술 저자에 게 알려진 다른 형성 기술에 의해 달성 될 수 없는 매우 복잡 한 기하학과 구성 요소 제조의 가능성을 제공 합니다.

세라믹 재료는 지난 분기 세기2,3;에 다른 오전 기술의 초기 개발 연구 그러나, 첨가제 제조 세라믹 부품의 첨단 고분자 또는 금속 부품의 첨가제 제조 달리 하지 않습니다. 세라믹 부품에 사용 되는 오전 기술에 대 한 몇 가지 개요 샤 에 의해 주어진 다 4, Travitzky 외. 5 와 죠 카 외. 6, 분말 재료, 액체 물자 및 단단한 물자4,5 -사용 되는 재료의 상태에 따라 또는 증 착 소재 및 응고6의 종류에 따르면 분류 될 수 있다 . 오전 장치는 사용할 수 있도록 원하는 속성 대부분 응용 프로그램7,8,,910 에 대 한 밀도 높은-품질 세라믹 부품의 첨가제 제조 , 11.

세라믹 부품의 생산은 복잡 한 처리 필요 하 고이 도자기의 오전에 진행을 지연 했다. 그럼에도 불구 하 고, 세라믹 구성 요소는 특별 한 소비재와 의료 기기, 그리고 오전 열립니다 "불가능 한" 기 하 도형12소설의 구성 요소 제작에 대 한 새로운 시야를 위한 불가결. 기술 세라믹 부품, 제조 부품의 후속 열 처리는 필요 오전부터 도자기의 형성 분말 유기 바인더 제거 하는 사용을 해야 합니다 (., 디 바인딩) 하기 전에 분말은 함께 융합 하 고 있다 (즉, 소 결).

멀티 소재 또는 다기능 컴포넌트의 오전 오전의 이점을 결합 하 고 기능 세라믹 기반 4d-구성 요소14로 재료 (FGM)13 등급. 소재 하이브리드 전기 도전성/절연, 자석/비 자석, 연 성/하드 또는 다른 colorations 같은 속성 조합을 허용합니다. 하이브리드 구성 요소 센서 또는 액추에이터 기능 MEMS (마이크로 전자 기계 시스템)15 도에서 알려진 전시 수 있습니다. 또한, 금속/세라믹 복합 재료 때문에 기존의 결합 강철 파트너를 사용할 수 있습니다 세라믹 부품 기계에 합류 보완 수 있습니다.

유럽 프로젝트 cerAMfacturing (EU 프로젝트 심장 678503)는 개발 하 고 있다 단일 소재 구성 요소에 대 한 오전 기술 뿐만 아니라의 직렬 생산 하면 다중 소재 부품의 오전에 대 한 완전히 새로운 접근 방식을 사용자 지정 하 고 다양 한 응용 프로그램12다기능 구성 요소입니다. 세 가지 다른 서 스 펜 션 기반 오전 기술 세라믹-세라믹으로 금속-세라믹 부품의 오전 있도록 정규화 됩니다. 서 스 펜 션 기반 오전 기술 활용 분말 기반 방법에 비해 향상 된 구성 요소 성능을 약속 한다. 이러한 형성 방법 높은 녹색 밀도, 고밀도 마이크로 구조와 낮은 표면 거칠기 소 결된 부품 귀 착될 항복에 분말의 입자 분포 더 균질 및 분말 침대에 보다 더 간결이 있기 때문에 레벨12.

리소 그래피 기반으로 세라믹 제조 (LCM)7,8,9,10,11,,1617, 함께 융합 하는 필 라 멘 트 제조 (FFF)와 열가 소성 3D 인쇄 (T3DP)12,,1418 개발 되고있다. FFF와 T3DP는 선택적 증 착 및 소재 전체 레이어14 온통 입금의 순수한 선택적 응고 대신 특정 재료의 응고 LCM 보다 멀티 소재 부품의 오전에 더 적합 .

FFF와 LCM에 비해 T3DP의 또 다른 이점은 사진 경화 폴리머 대신 열가 소성 바인더 시스템의 사용 이다. 바인더 시스템 수 있습니다 그들의 광학 속성 흡수, 방출 및 전자파, 예를 들어, 어둡고 밝은 자료 (눈에 보이는 범위), 생산에 필요한 반사 등의 독립적인 분말의 처리를 금속-세라믹 부품19,20. 또한, 낮은 투자는 다양 한 표준 장치를 사용할 수 있습니다 이후 FFF 장비에 대 한 필요 합니다. 이 기술은 높은 소재 효율성과 재활용 재료 경제적 된다. 마지막으로, FFF 차축에 인쇄 헤드를 이동에 의존 하는 과정 때문에 큰 부분에 대 한 고급 하기 쉽습니다.

이 문서는 FFF를 사용 하 여 금속-세라믹 복합 재료 제조의 첫 번째 결과 제공 합니다. 비록 그것은 아직 개발 또한, FFF 및 T3DP 단위 기술 조합을 제공 됩니다. FFF 과정에서 열가 소성 고분자의 필 라 멘 트 녹아 있으며 두 카운터 회전 요소의 작용에 의해 선택적으로 내밀 었 다. 재료는 압출 면 노즐을 통해, 그것은 굳은 냉각에 의해 구성 요소 계층으로 계층의 생산을 활성화. 최종 세라믹과 금속 부품을 생산 하는 과정의 변종 개발된21,22,23,,2425,26되었습니다. 세라믹 또는 금속 분말 높은 고분자 화합물, 바인더로 알려진 가득 합니다. 구성 요소 형성 실시 되었습니다 기존의 FFF 접근을 사용 하 여, 일단 두 개의 추가 단계는 필요 합니다. 첫째, 폴리머 구성 요소 제거 되어야 합니다 완전히는 표본에서 생성 하는 수많은 마이크로 크기의 숨 구멍을가지고 구조 debinding 단계에서. 마지막 속성을 달성 하기 위해 분말 소형 차는 재료의 용융 점 아래의 온도에서 소 결 했다 이후. 이 방법은, 실리콘 나이트 라 이드, 융합 된 실리 카, 압 전 세라믹, 스테인레스 스틸, 텅스텐 카바 이드-코발트, 알 루미나 또는 이산화 티타늄23,,2425 재료의 생산을 사용 하 여 성공적으로 실시 되었습니다 다른 곳.

고충 진 고분자 필 라 멘 트의 사용 및 프로세스의 특성 자료21에 특정 요구 사항을 부과 한다. 열가 소성 바인더 구성 요소 및 배포 해야 합니다 균질 유기 바인더 구성 요소, 반죽 등의 용융 점 이상의 온도에서 합성 기법을 사용 하 여 분말 사이 좋은 호환성을 제공 해야 합니다 또는 압 연 전단. 녹은 물자를 인쇄 헤드에서 피스톤 역할을 고체 필 라 멘 트 이후 높은 강성과 낮은 점도 필요 노즐을 통해 재료의 압출 전형적인 직경 0.3에서 1.0 m m까지 가능 하 게 합니다. 한편, 물자 충분 한 유연성과 강도 spooled 수 있습니다 필 라 멘 트로 모양의 수를 보유 해야 합니다. 분말의 높은 로드 하는 동안 이러한 모든 속성을 결합, 다른 다중 구성 요소 바인더 시스템이 개발21,,2226.

적절 한 바인더 정립의 사용 뿐만 아니라 새로운 운전 시스템이이 일에서 고용 되었다. 일반적으로, 이빨된 드라이브 바퀴는 노즐을 통해 필 라 멘 트를 추진 하는 데 사용 됩니다. 이러한 치아 취 성 필 라 멘 트를 손상 수 있습니다. 필 라 멘 트의 기계적 요구 사항을 줄이고 고 FFF 과정 압출 압력 증가, 이빨된 드라이브 바퀴의 기존의 FFF 시스템 특별 한 이중 벨트 시스템으로 대체 되었습니다. 높은 마찰과 지도 길이, 모양, 및 특별 한 고무 코팅 벨트의 생성 됩니다. 가장 중요 한 문제는 프린트 헤드를 통해 필 라 멘 트의 모든 변형 방지 했다. 필 라 멘 트 노즐을 유도 해야 합니다, 아니 여유 공간이 허용 되 고 구성 요소 간의 필요한 전환 고려해 야 할.

먹이 단위를 떠난 후는 필 라 멘 트 노즐 단위를 입력 합니다. 주요 목표는 설계 온도 관리 및 끊김 없는 지도 했다. 개발 된 인쇄 머리는 그림 1에 표시 됩니다.

Figure 1
그림 1 : 새로운 벨트 드라이브 장치 (위)와 실제 단위 (아래)의 이미지의 CAD 모델. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

또 다른 큰 도전 금속-세라믹 부품의 생산 열 처리 (열팽창 (CTE), 온도 정권, 그리고 분위기의 비교 계수) 동안 공동 처리를 허용 하는 분말의 선택에 대 한 해결 및 특히는 소 결 하는 동안 두 재료의 수축 동작의 조정 단계. 이 작품에서 시도 지 르 코니 아를 결합 하 고 이후 그들은 유사한 CTE (약 11 x 10-6/K) 하 고 동일한 조건에서 소 결 될 수 있다 스테인리스 17-4PH을 수정 (수소 분위기, 소 결 온도 감소: 1350-1400 ° C). 그러나, 수축 동작 조정, 금속 분말에 대 한 특별 한 밀링 절차는 필요한19,20입니다.

Protocol

1입니다. 재료 사용

  1. 다양 한 바인더 구성 요소
    1. FFF에 대해 정의 된 매우 채워진된 화합물 (약 50 vol. %의 분말 콘텐츠)의 조건에 따라 바인더 시스템 선택: 높은 기계적 강도, 충분 한 강성, 낮은 점도 및 스풀링에 유연성. 유연성의 급격 한 감소와 점성의 증가 높은 고체 로드에 의해 예상 될 수 있다.
      참고:이 연구에서 다중 구성 요소 바인더 시스템 채택 되었다. 유연성과 강도 향상 시키기 위해 열가 소성 탄성 중합체 구성의 대부분에 의하여 이루어져 있다. 기능성된 폴리올 레 핀 가루와 접착을 개선 하기 위해 등뼈로 포함 되었다. 마지막으로, 스 테아 르 산 (경 5 vol. %) 분말의 좋은 분산에 대 한 계면 활성 제로 통합 되었다. 기밀성의 이유로, 더 많은 정보는 공개 될 수 없습니다.
  2. 분말의 선택
    1. 멀티 소재 접근에 대 한 적합 한 분말 몇을 선택 하십시오. 세라믹 및 금속 분말의 공동 처리에 대 한 같은 소 결 분위기에서 소 결 하는 동안 재료의 열팽창 (CTE) 같은 계수와 같은 수축 동작을 선택 합니다.
    2. 특정 세라믹 등급을 선택 합니다. 정방 yttria 안정 된 지 르 코니 아 CTE와 특수 스테인레스 강 뿐 아니라 높은 강인 성 및이 세라믹 재료의 굴곡 강도 비교 되는 소 결 온도 선택 합니다. 지 르 코니 아 분말을 사용 하 여 7 ± 2 m2/g의 특정 표면 영역 및 d50 의 입자 크기 = 0.5 µ m.
    3. 특정 금속 학년을 선택 합니다. 전도성 및 연 성이 있는 금속 물자로 스테인리스 파우더를 사용 합니다. 자료에 비해 CTE와 비슷한 범위의 온도 보호 수소 분위기에서 지 르 코니 아의 소 결 있어야 합니다.
  3. 소 결 행동 조정
    1. 달성 한 스트레스-무료 공동 소 결, 두 파우더 종류의 온도 종속 변형 동작 (소 결 및 열 확장으로 인해 수축)를 조정 합니다. 이후 사용 하는 지 르 코니 아 분말 미세 입자 높은 표면 에너지, 원자 격자의 변형에 의해 전위 밀도 증가 하 고 비교적 큰 금속 입자를 정제 하 여 스테인리스 분말을 수정 합니다.
      참고: 처음 동안 소모전 밀링, 둥근 강철 입자는 다시 매우 높은 전위 밀도와 얇고 부서 지기 쉬운 조각으로 모양. 둘째 단계는 높은 에너지 밀링 (행성 볼 밀링, PBM), 취 성 부스러기 것입니다 깨진 매우 세분화 된 입자로 증가 소 능력. 이 방법에서는, 금속 분말의 소 결 활동 증가 도달할 수 있는 고 축소 곡선 지 르 코니 아만 작은 차이19,20의 곡선에 조정 될 수 있었다.
      1. 얇고 부서 지기 쉬운 조각으로 모양을 다시 구형 스테인리스 입자 (180 분)을 밀링 하는 소모전을 적용 합니다.
      2. (240 분) 감소 가로 세로 비율 증가 소 능력으로 매우 세분화 된 입자로 취 성 부스러기를 밀링 하는 행성 볼을 수행 합니다.
  4. 조정 성공 평가
    1. 막대 또는 광학 측정을 사용 하 여 적합 한 소재 소형의 수축 동작을 측정 하 여 결과 비교. 같은 두 재료의 체적 분말 콘텐츠를 사용 하 고 동일한 측정 (난방 요금, 분위기, 최대 온도, 유지 시간) 적용.
    2. 소 결 행동에 높은 불일치 경우 스테인리스 분말의 밀링 매개 변수를 조정 합니다. 미세한 파우더는 낮은 소 결 온도 시작으로 이어질 것입니다. 긴 소모전 밀링 시간 더 높은 전위 에너지와 더 높은 수축 이어질 것입니다. 행성 밀링 생겼을 분말 폴리머 화합물에 적용 가능한 이끌어 낸다.
      참고: 조정의 성공 원 재료에 의해 좌우 된다. 최적화를 수행 해야 합니다. 또한 수 소 곡선의 변화는 분말 마찰에 의해 생성 된. 정밀한 분말 분수 시작 낮은 온도에서 소 결 하는 경향이 있다.

2. 필 라 멘 트 생산

  1. 원료 준비
    참고: 지 르 코니 아 원료의 준비에 대 한 경향이 그것의27덩어리를 줄이기 위해 분말 건조. 최소 1 시간 진공 오븐에서 80 ° C에서 재료를 건조.
    1. 전 60 rpm에서 30 분 동안 롤러로 터 믹서에 재료를 복합.
      1. 바인더의 모든 구성 요소를 녹여 충분히 높은 온도 인지 확인 합니다. 바인더 구성 요소를 소개 하 고 녹는 때까지 기다립니다. 피드 파우더 5 연속 부하에 매 5 분.
      2. 과정의 끝에, 단계 2.1.2를 촉진 하기 위하여 작은 조각에 약 실에서 자료를 추출 합니다.
        참고: 두 재료 분말 내용은 47 vol. %의 열가 소성 재료 내에서 실현 했다.
    2. 알갱이 또는 실내 온도에 냉각 후 고체 물질을 이용할.
      1. 커팅 밀은 고용 하는 때, 점차적으로 소재 작품 소개. 내부 조각 다음 것 들을 소개 하는 입자가 굵은 됩니다 때까지 기다립니다.
      2. 연 삭 챔버의 출구에서 4 x 4 mm 제곱 구멍으로 체질을 사용 하 여 적절 한 크기의과 립을 얻을 수 있습니다. 이 절차는 트윈 스크류 압출 기 또는 전단 롤러 (2.1.3 단계)의 지속적인 먹이 필요 합니다.
    3. 분산, 예를 들어, 공동 회전 트윈 스크류 압출 (TSE)에 개선 또는 압출 롤는 전단에서 높은 전단 속도에서 소재를 복합. 컨베이어 벨트와 자료를 수집 하 고 실 온까지 냉각.
      참고:이 연구는 공동 회전 트윈 스크류 압출 기 사용 되었다. 스크류 회전 속도 설정 했다 600 rpm 및 온도 프로 파일 170 ° C에서 먹이 영역에서 210 ° C에는 정의 된 때까지.
    4. 알갱이 또는 실내 온도에 냉각 후 고체 물질을 이용할. 2.1.2의 절차를 사용 하 여 또는 컨베이어 벨트는 성형 형 조립 기의 끝에 자료를 이용할. 필요한 경우, 펠 릿 또는 4mm 보다 작은 길이 과정을 반복.

Figure 2
그림 2 : 필 라 멘 트 생산 라인. 재료의 압출 속도 온도 조절에 의해 제어 방식에 압출입니다. 이후에, 그것은 수집 하 고는 컨베이어 벨트 운반 한다 떨어져 단위에 의해 구동. 필 라 멘 트 직경 측정 되 고 값 원하는 범위 내 인 경우 필 라 멘은 스풀링됩니다. 필 라 멘 트 크기를 조절 하 당기 및 스풀링 속도 점진적으로 조정할 수 있어야 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

  1. 필 라 멘 트 압출
    참고: 그림 2 의 필 라 멘 트 준비를 위한 제조 공정 및 하단에 필 라 멘 트 직경을 정의 하는 가변 매개 변수를 보여 줍니다. 필 라 멘 트 컨베이어 벨트에 의해 수집 된 이며 롤러를 회전 하는 카운터의 두 쌍의 행동에 의해. 직경 및 라인 값 레이저 측정 장치, 측정 됩니다 그리고 필 라 멘 트 형상을 규제 프로세스 매개 변수 조정 됩니다. 소재 결국 스풀에 저장 됩니다. 치수의 일정 범위를 가진 필 라 멘 트의 생산은 이후 FFF에 볼륨 흐름은 필 라 멘 트 기하학의 종속 프로세스의 반복성에 대 한 중요 합니다.
    1. 바인더 구성 요소의 용융 점 이상의 온도에서 30 rpm에서 재료를 압출 성형. 압력 및 필 라 멘 트 품질의 좋은 컨트롤에 대 한 단일 스크류 압출 기를 사용 하 여 적어도 1.75 m m의 노즐 직경.
      참고: 작은 양의 재료에 대 한 높은 압력 모 세관 고분자 소재 개발 단계에서 사용할 수 있습니다. 그럼에도 불구 하 고, 차원 품질이 필 라 멘 트의 예상 될 수 있다.
      참고: 적절 한 트윈 스크류 압출 과정 단계 2.1 및 2.2.1을 결합 수 있습니다.
    2. 압출된 재료를 수집 합니다. 컨베이어 벨트를 사용 하 여 수집 하 고 압출된 소재를 진정. 높은 압출 속도 사용 하 여 공기 또는 물 냉각 요소 필요할 수 있습니다.
    3. 측정 하 고는 필 라 멘 트의 크기를 제어 합니다. 특정 압출 속도 대 한 점진적으로 컨베이어 벨트를 통제 하 고 당기는 필 라 멘 트의 크기를 조정 하는 속도 (컨베이어 감소와 높은 직경에 대 한 속도 당겨). 1.70 1.80 m m 및 0.10 m m 보다 작은 라인의 직경 범위와 필 라 멘 트를 생성 합니다.
      참고: 라인 값 차이 최대 및 최소 직경으로 정의 됩니다. 완벽 하 게 라운드 필 라 멘 트에 대 한 0의 라인을 가져와야 합니다.
    4. 스풀 자료입니다. 추가 스풀 링 장치 (그림 2) 자동 스풀링을 위해 컨베이어 벨트의 끝에 배치할 수 있습니다.

3. 녹색 구성 요소 첨가제 제조

  1. 최적의 공정 파라미터 조사
    1. 인쇄를 하기 전에 상용 조각화 소프트웨어를 사용 합니다. 이 소프트웨어는 인쇄 매개 변수를 설정 하 고 3D CAD 모델에서 인쇄 장치에 대 한 g-코드 생성을 적용할 수 있습니다.
    2. 인쇄, 다음과 같은 필수 매개 변수를 고려 합니다.
    • 침대 침대 접착 온도
    • 다른 물자의 인쇄 속도
    • 지속적인 자료 흐름에 대 한 다양 한 인쇄 온도
    • 인쇄 된 스트랜드의 응고를 지원 하기 위해 냉각팬의 제어
    • 레이어 간의 향상 된 접착 인쇄 온도
    • 돌아다니며 "주요 기둥"를 사용 하 여 피하기 위해 철회 매개 변수
    • 다른 재료의 동일한 물가 폭을 보장 하기 위해 다양 한 소재 흐름
  2. 테스트 구성의 오전
    1. 상업적인 3 차원 프린터와 함께 녹색 샘플의 오전 수행 ( 재료의 표참조). 멀티 소재 부품을 인쇄 하기 전에 단일 소재 테스트 구성 요소를 제조 한다.
      1. 멀티 소재 부품을 제조 하기 전에 프린터 소프트웨어에서 노즐의 모든 가능한 오차를 수정.
    2. 단일 부품 제조
      1. 인쇄 헤드 1 지 르 코니 아 필 라 멘 트 및 인쇄 헤드 2 스테인리스-필 라 멘 트와 함께 로드 합니다. 두 필 라 멘 트 10 m m/s의 프린트 헤드 속도 및 인쇄 침대 온도 20 ° c.의 사용 지 르 코니 아의 프린트 헤드 온도 220 ° C와 스테인리스 240 ° c를 설정합니다
        참고: 첫 번째 테스트 기 하 도형 샘플으로 겹쳐집니다 단일 재료 제조 되었습니다 그리고 다른 샌드위치 설치 다중 소재 구성 요소에 대 한 선정 되었습니다. 모든 녹색 구성 요소는 15 m m x 15 m m와 다양 한 두께의 최종 크기를 했다 1-3 m m와 레이어 두께 0.25 m m의 제조 되었다. 인쇄 헤드 온도 재료의 원하는 유동성을 달성 하는 다양 한 수 있습니다. 점도의 감소에 이르게 하는 온도 높여. 2 개의 물자의 최적의 인쇄 온도 달라질 수 있습니다.
    3. 멀티 소재 제조
      1. 2 개 또는 3 개의 서로 다른 레이어, 예를 들어대체 하 여 다중 소재 부품을 제조., 1 m m 스테인레스 스틸 / 1 m m 지 르 코니 아 / 1 m m 스테인리스 또는 지 르 코니 아 1 m m / 1 m m 스테인리스 / 1 m m 지 르 코니 아.
        참고: 다중 구성 요소 인쇄, 그것은 유용할 수 있습니다 매우 선명 하 고 정확한 재료 전환에 대 한 "주요 기둥"를 사용 하 여. 인쇄 헤드를 변경할 때 필 라 멘 트의 몇 밀리미터 필요 재료 압출 수 하 사용된 노즐 채웁니다 때까지 간격을 선도 합니다. 따라서, 부품의 모양을 수로 좋지 않다. 이 문제를 방지 하려면 "주요 기둥"는 부분에 옆에 인쇄,이 소프트웨어에서 설정할 수 있습니다. 주요 기둥 (직사각형 타워, 그림 3)의 레이어 노즐, 노즐 끝났다 고 부분 레이어를 계속 하기 전에 인쇄할 준비가 되도록 변경 하는 경우 먼저 인쇄 됩니다.
    4. 제조의 최적화
      1. 사용 하는 "습지-방패" 경우; 이것은 구성 요소 (그림 4) 주위에 인쇄 된 얇은 벽 이다. 프린트 헤드 부품 밖에 두 번째 구성 요소에 대 한 변경 후 타워에서 이동할 때이 벽을 교차 하는 노즐을 있다. 이 방패에 노즐에서 모든 접착 소재를 벗는 고 인쇄 부분에 재료 증 착의 정밀도 증가 시킬 수 있다.
        참고: 달성 품질에 관한 더 최적화 가정 하는 필 라 멘 트 직경은 지속적인 흐름, 돌출 폭 및 압출 멀티 플라이어의 미세한 조정에 의해 가능 하다.

Figure 3
그림 3 : 금속-세라믹 타워 구조와 구성 요소에 대 한 프로세스를 제조. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4 : 주변 습지-방패를 가진 구성의 가상 인쇄. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

4. 디 바인딩 및 부품의 소 결

  1. 두 연속 단계에서 디 바인딩 수행 합니다. 먼저, 용 매 추출, 그리고 잔여 바인더 구성 요소를 분해 후 열 처리를 수행 합니다.
    1. 용 매 추출 cyclohexane 60 ° c.에 사용 하 여 인쇄 된 녹색 부분과 실시 충분 한 cyclohexane와 샘플을 커버 하 고이 단계를 수행 하는 경우 8 헤 고려 화재 안전 측면에 대 한 그들을 취급 합니다. 수용 성 바인더 콘텐츠 약 7-9 wt. % 여기 제거 될 것 이다.
      참고: 적용 용 매 추출 리드 후속 thermaldebinding 동안 효과 bloating 감소.
    2. 열 디 바인딩 아르곤 분위기에서 debinding로 있는 감소 (질소 분위기에서 발생 한) 또는 산화 로부터 자료를 보호 하기 위해 수행 합니다. 440 ° C와 5 ° C/h와 150 ° C/h 사이 다른 난방 속도의 최대 온도 사용 합니다.
      1. 특성, 두 재료의 debinding 동작을 최적화 하는 열을 적용 질소에서 분석 평가 적절 한가 열 속도를 600 ° C 까지의 흐름.
  2. 80% 아르곤의 텅스텐 높은 온도 있는 20% 수소 줄이는 분위기에서 소 결 실시 합니다. 3 ° C/min와 5 ° C/min 사이 난방 요금을 사용 하 여 1365 ° c.의 최대 온도 도달 3 h의 망설임 시간 후 차가운 실내 온도에 마.

Representative Results

최고의 피팅 스테인레스 스틸 동작 소 결에 대 한 결과 180 분, 240 분의 시간을 밀링 행성 볼 밀 (PBM)의 시간을 밀링 한 소모전으로 획득 했다. 그림 5 치료 분말 (왼쪽), 교육 생 (가운데), 밀링 후 변형된 입자 및 PBM 밀링 단계 후 다진된 입자의 SEM 이미지 (오른쪽)를 보여 줍니다.

Figure 5
그림 5 : 치료 스테인리스 < 38 µ m (D90) (왼쪽), 교육 생 (가운데), 밀링 후 스테인리스 분말 및 PBM (오른쪽) 밀링 후 스테인리스 분말 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

초기와 가공 된 철강 분말의 소 결 행동 그림 6, 광학 측정으로 측정 모두에서 지 르 코니 아 분말의 소 결 행동와 비교 됩니다.

Figure 6
그림 6 : 지 르 코니 아 분말 (TZ-3Y-SE)과 스테인리스 가루 (17-4PH)와 스테인리스 분말의 고 에너지 밀링 처리 후 초기 상태에서의 팽창 곡선. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

높은 전단 합성 단계에서 원료 기계적 특성의 향상은 지 르 코니 아 원료에 대 한 특징 이었다. 롤러로 터 믹서 (RM)에 75 분의 단일 합성 단계에서 생산 하는 원료는 프로토콜에서 설명 하는 메서드에 의해 생성 하는 것과 비교 되었다. 필 라 멘 트 1.75 m m, 1 mm/s의 피스톤 속도 190 ° c.의 온도의 한 다 함께 고압 모 세관 고분자를 사용 하 여 압출 했다 필 라 멘 트 컨베이어 벨트로 수집 되었고 범용 인장 시험기로 시험. 자료 당 적어도 5 번 반복 실시 했다. 그림 7 궁극 장력 강도 (UTS), UTS에서 신장 및 활성 계수에 관한 두 자료의 비교를 보여준다.

Figure 7
그림 7 : 지 르 코니 아 원료의 기계적 특성에 합성 방법의 영향. 원료는 롤러 내부 믹서 (RM) 또는 공동 회전 트윈 나사 단계 (TSE)와 함께에서 혼합 했다. UTS와 활성 계수에서 평균 값과 궁극 장력 강도 (UTS), 연신 율의 특 파 원 표준 편차를 사용 하 여 강도, 유연성 및 강성 모 세관 고분자와 필 라 멘 트의 결정 각각. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 8에서 지 르 코니 아 (왼쪽)로 만든 필 라 멘 트의 생산 년도 직경 값 하 고 스테인리스 (오른쪽) 원료 표시 됩니다. 압출 된 필 라 멘 트 직경 단일 나사 압출을 통해 생산 과정에서 기록 되었다. 지 르 코니 아 필 라 멘 트에 대 한 크기의 좋은 제어 1.75 m m의 평균 직경과 0.02 m m의 표준 편차 달성 될 수 있었다. 필 라 멘 트 수정된 스테인리스 가루 포함 된에 대 한 평균 필 라 멘 트 직경의 높은 다양성은 관찰 되었다. 이 대 한 가능한 이유는 혈소판-금속 입자 (그림 5)의 모양에서 발생 하는 원료 내에서 휘도가 입자 분산 될 수 있습니다. 이 경우 측정 점의 높은 수 1.75 mm ±의 원하는 범위 밖에 있는 발견 0.05 m m, 평균 직경 값은 0.03 m m의 표준 편차와 1.74 m m. 필 라 멘 트의 두 종류, 라인 값 0.1 m m도 보다 상당히 작은 했다.

Figure 8
그림 8 : 공부 자료에 대 한 필 라 멘 트 직경의 히스토그램. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 9 는 컴포지션 스틸-지 르 코니 아-강철 (왼쪽) 뿐만 아니라, 지 르 코니 아 강 지 르 코니 아 (오른쪽)와 함께 그린 샌드위치 구조를 제조 하 적당 한 지 르 코니 아와 금속 필 라 멘 트를 보여 줍니다.

Figure 9
그림 9 : 녹색 강철-지 르 코니 아-스틸 (왼쪽)와 지 르 코니 아 강 지 르 코니 아 부품 (오른쪽) 없애는 FFF에 의해 제조. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

두 재료의 비슷한 바인더 시스템 때문 특정 레이어를 단일 복합 부분에 융합이 가능 하다. 날카로운 전환 모양의 부분 라운드 큰 그림 10에 표시 됩니다.

Figure 10
그림 10 : 지 르 코니 아 및 스테인레스 스틸 사이 날카로운 전환 구조. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 11 다른 녹색 단일 및 다중 material 구성 요소가 추가 처리를 보여 줍니다. 그림 12 중간 순수 스테인레스 스틸 샘플을 보여줍니다 그리고 마지막으로 소 결 하 고 잘 결합 된 철강 세라믹 복합 오른쪽에 그림은 왼쪽에, 순수한 지 르 코니 아 샘플을 보여 줍니다.

Figure 11
그림 11 : 녹색 테스트 샘플 FFF 제조한; 상단: 지 르 코니 아-강철-복합 위에 스테인리스; 중간: 스테인레스 스틸, 하단: 지 르 코니 아. 그리드 상자 5 m m. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 12
그림 12 : 지 르 코니 아 샘플 (왼쪽), 소 결된 스테인리스 스틸 샘플 (가운데), 소 결 및 소 결 된 지 르 코니 아 스테인리스 스틸-합성 (오른쪽). 모든 비늘 m m. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 13, 옷 (또는 하위 경계) 두 입금된 필 라 멘 트 사이 FFF-부품의 전형적인 구조는 표시는 일반 조각화 (공구 경로) 및 증 착 재료의 연속 방법에서 결과.

Figure 13
그림 13 : FFF-구성 요소 칼 자국에서 결과의 일반적인 구조와 지속적인 소재 증 착. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

높은 볼륨 증 착에 이르게 조각화 소프트웨어에서 입체 승수를 올려서 하위 경계 감소 뿐 아니라 적응 도구 경로 의해 될 수 있습니다. 그럼에도 불구 하 고, 입자는 필 라 멘 트의 높은 콘텐츠로 인해 증 착 동작 소성의 일반 인쇄에서 차이가 분명 하다. 따라서, 이러한 결함을 소프트웨어 수정이 바람직하다.

후 용 매 디 바인딩, 열 디 바인딩 및 후속 소 결, 다른 샘플 보여 아무 중요 한 변형 또는 bloating. 소 결 된 순수 지 르 코니 아 및 스테인리스 FFF 표본 모두와 함께 강한 부하 없이 좋은 형상 안정성 있고 그들은 버클 하지 않습니다. 총 질량 손실 14.8 14.9%, 완전 한 디 바인딩 나타내는 했다.

금속-세라믹 샘플 두 물자 전부의 좋은 거시적인 접착을 보여주었다. 복합 재료의 소 결 후에 대량 손실 14.1-14.4%, 전체 디 바인딩 나타내는 또한 발견 되었다. 추가 분석 및 프로세스 조정 따를 것 이다. 전자 현미경 특성은 복합 재료의 합성의 품질에 대 한 통찰력을 제공 하기 위한 것입니다. 합성의 원하는 대형 그림 14와 같이 성공적으로 자리를 차지 했다.

Figure 14
그림 14 : 공동 자료를 보여주는 금속-세라믹 인터페이스에 미세의 SEM 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

결과 하나의 구성 요소에 전기 전도성 및 전기 격리 재산을 생성 하는 FFF를 사용 하 여 금속-세라믹 복합 재료를 제조 하는 유망한 접근 방식을 보여 줍니다. 또한, 금속 환경에 세라믹 부품의 구현 가능한 좋은 소재 본드와 스테인레스 스틸의 용접 된다. EU 내에서, 프로젝트 난방 장치는 FFF 비 전도성 ZrO2 매트릭스에 스테인리스 전기 전도성 경로 포함 하 여 제조 되었다. 그림 15 는 소 결된 샘플을 보여 줍니다. 이러한 다중 소재 구성 요소 분석 하 고 미래에 테스트 해야 합니다.

Figure 15
그림 15 : 상 지 르 코니 아 및 스테인레스 스틸로 만들어진 전기 히터 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 16 , 그림 17 CAD 모델 (그림 16) 두 FFF 인쇄 머리와 두 개의 T3DP 인쇄 머리와 새 인쇄 헤드를 표시 뿐만 아니라 FFF 장치 (그림 17)에서 구현 된. 한 도전은 두 시스템에 대 한 출력의 제어 합니다. 마이크로 단위를 분배에 대 한 출력 FFF 인쇄 머리에서 벨트 드라이브의 스테퍼 모터 속도 대신 압 전 구동 피스톤의 주파수에 의해 제어 됩니다. 두 소자의 상호 작용은 앞으로 테스트 되어야 한다.

Figure 16
그림 16 : 새로운 인쇄 헤드 두 FFF 인쇄 머리와 두 개의 T3DP 인쇄 머리의 CAD 모델. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 17
그림 17 : 두 FFF 인쇄 머리와 하나의 T3DP 인쇄 머리 (왼쪽)와 새로운 인쇄 머리의 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Discussion

지 르 코니 아와 여기에 사용 되는 스테인레스 스틸은는 공동 소 결 금속-세라믹 부품의 비교 CTE에 때문에, 소 결 온도, 및 소 결 분위기에 매우 적합 합니다. 지 르 코니 아와 스테인레스 스틸 재료의 소 결 동작은 스테인리스 분말 (그림 9)의 치료에 의해 성공적으로 조정할 수 수 있습니다. 언급 한 재료 및 메서드를 사용 하 여 처음으로 FFF 거시적인 결함이 없는 부품을 제조 가능 하다. 저자의 지식, 다른 유사한 오전 방법 T3DP19,20제외 등 부품 제조 알려져 있다. 금속 세라믹 부품에 대 한 응용 프로그램 히터는 전기 전도 반복 스테인리스 분리 지 르 코니 아 매트릭스에는 그림 17에 표시 됩니다.

금속 및 세라믹 부품의 FFF에 대 한 주요 과제 중 하나는 경직의 증가 높은 고체 콘텐츠 인 필 라 멘 트의 취 성입니다. 따라서, 오른쪽 바인더 구성 요소 선택 프로젝트의 성공에 핵심 요소 이었다. 또한, 힘과 유연성은 필 라 멘 트의 높은 전단 혼합 기술 (그림 7)의 사용에 의해 향상 시킬 수 있습니다. 매우 채워진된 시스템28와 이전 연구에 따르면이 개선을 더 나은 분말 분산 및 응집 체29,30의 감소 때문일 수 있습니다.

조사 및 조정 하 고 필 라 멘 트 생산 과정에서 속도 스풀링 돌출의 적절 한 크기와 높은 입자 가득 필 라 멘 트의 생산을 허용. 크게 장치를 냉각의 사용 뿐만 아니라 압출 기 내의 온도 분포 같은 다른 매개 변수는 필 라 멘 트 품질에 영향을 하 고 신중 하 게 선정 됐다.

두 필 라 멘 트 FFF-장치에 성공적으로 처리 되었습니다. 재료 간의 접착 녹색 상태 (그림 7-9)에 매우 좋은 것을 발견 되었다. 일부 작은 채워지지 않은 볼륨만 보였다는 일반적으로 첨단 FFF 프로세스 (그림 13). FFF-장치 T3DP18,19,20,,3132에서 알려진 두 마이크로 분사 장치에 장착 했다 열가 소성 재료와 함께 이러한 중요 한 볼륨을, 어떤 부족 한 채워진된 볼륨을 단일 방울의 증 착으로 미세한 구조 (그림 14 15)의 제조를 허용 한다.

복잡 한 부분 또는 해상도의 기하학적 제한 강하게 조각화 소프트웨어 사용된 뿐만 아니라 지속적인 자료 흐름 프린터 설정에 따라 달라 집니다. 디자인 규칙 및 결과 부분 외관 대부분 FFF의 플라스틱을 사용 하 여 비슷한 것을 찾을 수 있습니다.

Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

이 프로젝트는 유럽 연합의 수평선 2020 연구와 부여 계약 번호 678503에서 혁신 프로그램에서 자금을 받았다.

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

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References

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