Fabricação de fundidos de filamento (FFF) de componentes de Metal-cerâmica

Engineering
 

Summary

Este estudo mostra multi material fabricação aditiva (estou) usando fundidos fabricação de filamento (FFF) de aço inox e zircônia.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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

Cerâmicas técnicas são amplamente utilizadas para aplicações industriais e de pesquisa, bem como para bens de consumo. Hoje, a procura de geometrias complexas com personalização diversas opções e métodos de produção favorável está aumentando continuamente. Com fabricação de fundidos de filamento (FFF), é possível produzir componentes grandes e complexos rapidamente, com alta eficiência material. Em FFF, um filamento contínuo de termoplástico é derretido em um bocal aquecido e depositado abaixo. A cabeça de impressão controlada por computador é movida para construir a forma desejada camada por camada. Investigações sobre impressão de metais ou cerâmica está aumentando cada vez mais na pesquisa e na indústria. Este estudo centra-se na fabricação de aditiva (AM) com uma abordagem multi material para combinar um metal (aço inoxidável) com uma cerâmica técnica (zircônia: ZrO2). Combinando estes materiais oferece uma ampla variedade de aplicações devido às suas diferentes propriedades elétricas e mecânicas. O livro mostra as principais questões na preparação do material e matéria-prima, desenvolvimento de dispositivos e impressão destes compósitos.

Introduction

De acordo com ISO/ASTM, aditivo fabricação (AM) é o termo geral para tecnologias que criam objetos físicos com base em uma representação geométrica por adições sucessivas de material1. Portanto, essas tecnologias oferecem a possibilidade de fabricação de componentes com geometria extremamente complexa, que não podem ser atingidos por qualquer outra técnica de moldagem conhecida aos autores.

Materiais cerâmicos têm sido estudados desde o início do desenvolvimento das diferentes tecnologias AM no último trimestre do século2,3; no entanto, o aditiva fabricação de componentes cerâmicos não é estado da arte em contraste com o aditivo fabricação de componentes de polímero ou metal. Várias visões gerais sobre as tecnologias de AM usadas para componentes cerâmicos são dadas por Chartier et al 4, Travitzky et al 5 e Zocca et al 6, que podem ser classificados de acordo com o estado do material que é usado - materiais em pó, materiais líquidos e sólidos materiais4,5 , ou de acordo com o tipo de deposição de material e solidificação6 . Dispositivos de AM estão disponíveis que permitem que o aditiva fabricação de componentes cerâmicos densos e de alta qualidade com as propriedades desejadas para a maioria dos aplicativos7,8,9,10 , 11.

Produção de componentes cerâmicos requer processamento complexo, e isto estagnou o progresso na AM de cerâmica. No entanto, componentes cerâmicos são indispensáveis para especial de bens de consumo e dispositivos médicos e AM abre novos horizontes para a fabricação de novos componentes com geometrias "impossível"12. Para componentes de cerâmicas técnicas, um tratamento térmico subsequente dos componentes fabricados é necessário desde o AM shaping de cerâmica requer o uso de pó suspendido em ligantes orgânicos que precisam ser removidas (i. e., debinding) antes do pó é fundido juntos (ou seja, sinterização).

O AM de componentes múltiplos materiais ou multi-funcionais combina os benefícios do AM e funcionalmente classificados de materiais (MGF)13 em 4D-componentes baseados em cerâmica14. Materiais híbridos permitem combinações de propriedade como eletricamente condutivo/isolantes, magnético, não-magnético, dúctil/difícil ou diferentes colorações. Componentes do híbrido podem exibir funções de sensor ou atuador conhecidas de MEMS (micro sistemas eletromecânicos)15 também. Além disso, compostos de metal/cerâmica podem complementar juntando peças cerâmicas em máquinas desde que parceiros de aço soldáveis convencionais podem ser usados.

O projecto europeu cerAMfacturing (projecto UE CORDIS 678503) está desenvolvendo tecnologias de AM para componentes de material único, bem como uma abordagem completamente nova para AM de componentes múltiplos materiais, que permitirá a produção em série de personalizado e multifuncionais componentes para várias aplicações de12. Três diferentes baseados em suspensão AM técnicas são qualificadas para permitir que o AM de componentes de cerâmica-cerâmica, bem como metal-cerâmica. A utilização de técnicas baseadas em suspensão do AM promete desempenho componente melhorado em comparação com métodos baseados em pó. Porque a distribuição de partículas de pó em suspensão é mais homogênea e mais compacto do que em uma cama de pó, esses métodos de modelagem produzem maiores densidades de verdes, que resultam em componentes sinterizados com microestruturas densas e baixa rugosidade da superfície níveis12.

Junto com a cerâmica baseada em litografia fabricação (LCM)7,8,9,10,11,16,17, fundido fabricação de filamento (FFF) e termoplástico 3D-impressão (T3DP)12,14,18 estão sendo desenvolvidos. FFF e T3DP são mais adequados para o AM de componentes múltiplos materiais do que LCM devido à deposição selectiva e solidificação de determinado material em vez da pura seletiva solidificação do material depositado sobre toda a camada14 .

Um benefício adicional da FFF e T3DP em relação ao LCM é o uso de sistemas termoplásticos fichário em vez de foto-cura de polímeros. O sistema de fichário permite o processamento de pós, independentes de suas propriedades ópticas, tais como absorção, emissão e reflexão de ondas eletromagnéticas, por exemplo, escuros e brilhantes materiais (na escala visível), que é necessário para a produção de componentes de metal-cerâmica19,20. Além disso, o baixo investimento é necessário para o equipamento FFF desde uma grande variedade de dispositivos padrão estão disponíveis. Esta técnica torna-se econômico devido a alta eficiência material e os materiais recicláveis. Finalmente, o FFF é fácil upscale para peças grandes, desde que o processo se baseia em mover a cabeça de impressão em eixos.

Este trabalho apresenta os primeiros resultados da fabricação de compósitos metal-cerâmica usando FFF. Além disso, a combinação de técnica de unidades FFF e T3DP é apresentada, embora ele ainda está em desenvolvimento. No processo de FFF, filamentos de polímeros termoplásticos são derretidos e seletivamente expulso pela ação de dois elementos rotativos de contador. Uma vez que o material é extrudado através do bocal, ela se solidifica por resfriamento, permitindo a produção de componentes camada por camada. Para produzir componentes cerâmicos e metálicos finais, uma variante do processo tem sido desenvolvidos21,22,23,24,25,26. Os compostos poliméricos, conhecidos como ligantes, altamente estão cheias de um pó cerâmico ou metálico. Uma vez que a formação dos componentes tem sido conduzida usando a abordagem convencional da FFF, duas etapas adicionais são necessárias. Em primeiro lugar, os componentes poliméricos devem ser completamente retirados os espécimes na fase debinding, gerando uma estrutura com numerosos poros de tamanho reduzido. Para alcançar as propriedades finais, a compacta em pó posteriormente é sinterizadas a uma temperatura abaixo do ponto de derretimento do material. Usando essa abordagem, a produção de materiais tais como o nitreto de silício, sílica fundida, cerâmicas piezoelétricas, aços inoxidáveis, carboneto de tungstênio-cobalto, alumina ou dióxido de titânio23,24,25 Já com sucesso foram realizadas em outro lugar.

O uso de filamentos poliméricos altamente-cheia e a característica do processo de imponham certos requisitos em materiais21. Boa compatibilidade deve ser fornecida entre os componentes termoplásticos para encadernação e o pó, que deve ser distribuído homogeneamente usando técnicas de composição em temperaturas acima do ponto de fusão dos componentes aglutinante orgânico, tais como amassar ou cisalhamento de rolamento. Uma vez que o filamento contínuo tem de agir como um pistão na cabeça de impressão para empurrar o material fundido, uma alta rigidez e baixa viscosidade são necessários para permitir a extrusão do material através do bocal com diâmetros típicos que variam de 0,3 a 1,0 mm. Enquanto isso, o material deve possuir suficiente flexibilidade e força para ser moldado como um filamento que pode ser colocada em spool. Para combinar todas essas propriedades, tendo uma alta carga de pó, fichário de multi-componentes diferente sistemas têm sido desenvolvidos21,22,26.

Além do uso de formulação adequada de fichário, um novo sistema de condução foi empregado neste trabalho. Comumente, as rodas dentadas de unidade são usadas para empurrar o filamento através do bocal. Estes dentes podem danificar o filamento frágil. Para reduzir os requisitos mecânicos dos filamentos e aumentar a pressão de extrusão durante o processo FFF, o sistema convencional de FFF de rodas dentadas movimentação foi substituído por um sistema de correia dupla especial. Orientação e alta fricção é gerada devido o comprimento, a forma e o revestimento especial de borracha das correias. A questão mais importante era impedir qualquer flambagem do filamento através da cabeça de impressão. O filamento deve ser guiado até o bocal, não há espaço livre é permitido, e as transições necessárias entre os componentes devem ser considerados.

Depois de deixar a unidade de alimentação, o filamento de entrada na unidade de bocal. Os objetivos principais foram de gestão de temperatura projetado e orientação sem intervalos. A cabeça de impressão desenvolvida é mostrada na Figura 1.

Figure 1
Figura 1 : Modelo CAD da nova unidade de movimentação de correia (topo) e imagem da unidade real (parte inferior). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Outro grande desafio a ser dirigida para a produção de componentes de metal-cerâmica é a seleção dos pós que permitem processamento co durante o tratamento térmico (comparável coeficiente de expansão térmica (CTE), regimes de temperatura e atmosfera) e particularmente o ajustamento do comportamento de encolhimento de ambos os materiais durante a etapa de sinterização. Neste trabalho, uma tentativa é feita para combinar zircônia e modificado aço inoxidável 17-4PH, desde que eles têm uma CTE comparável (aproximadamente 11 x 10-6/k) e podem ser aglomerados em mesmas condições (reduzindo a atmosfera de hidrogênio, a temperatura de sinterização: 1350-1400 ° C). No entanto, para ajustar o comportamento de encolhimento, um processo de moagem especial para o pó metálico é necessário19,20.

Protocol

1. materiais utilizados

  1. Seleção dos componentes para encadernação
    1. Selecione o sistema de fichário de acordo com os critérios de compostos altamente preenchidos (teor de pó de aproximadamente 50% vol.) definidos para FFF: alta resistência mecânica, bastante rigidez, baixa viscosidade e flexibilidade para o spool. Uma redução drástica da flexibilidade e o aumento da viscosidade podem ser esperados por uma alta carga sólida.
      Nota: Neste estudo, foi utilizado um sistema de fichário multi-componentes. A maioria dos componentes consistia de um elastómero termoplástico para melhorar a flexibilidade e força. Uma poliolefina funcionalizada foi incluída como uma espinha dorsal para melhorar a aderência com o pó. Finalmente, ácido esteárico (cerca de 5% vol.) foi incorporado como um surfactante para boa dispersão dos pós. Devido a razões de confidencialidade, não podem ser divulgadas mais informações.
  2. Seleção de pós
    1. Escolha um par de pó adequado para a abordagem de vários material. Para co-processamento de cerâmica e um pó de metal, escolha materiais com o mesmo coeficiente de expansão térmica (CTE) e o mesmo comportamento de encolhimento durante a sinterização na mesma atmosfera de sinterização.
    2. Selecione a classe específica de cerâmica. Escolha a zircônia tetragonal estabilizada ítria devido a CTE e a temperatura de sinterização sendo comparáveis de aços especiais, bem como a alta dureza e resistência à flexão do material cerâmico. Use pó de zircônia com uma área de superfície específica de 7 ± 2 m2/g e um tamanho de partícula de d50 = 0.5 µm.
    3. Selecione a série metal específica. Use pó de aço inoxidável como o material metálico condutivo e dúctil. O material deve ter uma CTE comparável e uma gama de temperaturas para aqueles da zircônia sob uma atmosfera protetora de hidrogênio de sinterização semelhante.
  3. Ajustamento do comportamento de sinterização
    1. Para alcançar um estresse co sinterização, ajuste o comportamento de tensão dependente de temperatura (encolhimento devido à expansão térmica e sinterização) de ambos os tipos de pó. Uma vez que o pó de zircônia usado tem alta energia de superfície devido as partículas finas, modifica o pó de aço inoxidável por refino as partículas de metal comparativamente grandes e aumentar a densidade de luxação, deformação da estrutura atômica.
      Nota: Primeiro durante a trituração do atrito, as partículas esféricas de aço são re-dado forma em flocos finos e frágil, com uma densidade extremamente alta de luxação. Em segundo lugar durante a etapa de moagem de alta energia (esfera planetária de trituração, PBM), os flocos frágeis vão ser divididos em partículas muito fine-grained com uma habilidade aumentada de sinterização. Desta forma, aumento da atividade sinterização de pó metálico pode ser alcançado e a encolhimento curva poderia ser ajustada para a curva de zircônia, apresentando apenas pequenas diferenças19,20.
      1. Aplica o atrito de moagem (180 min) para as partículas esféricas de aço inoxidável para re-forma em flocos finos e quebradiços.
      2. Execute a esfera planetária trituração (240 min) para quebrar os flocos frágeis em partículas muito fine-grained com uma diminuição da taxa de proporção, mas uma habilidade aumentada de sinterização.
  4. Avaliar o sucesso do ajuste
    1. Use uma haste ou Dilatômetro óptico para medir o comportamento de encolhimento de compactos de material apropriados e comparar os resultados. Usar o conteúdo de pó volumétrico de ambos os materiais é a mesma e aplicar a mesma medida (taxas, atmosfera, temperatura máxima, tempo de interrupção de aquecimento).
    2. Se houver uma incompatibilidade de alta no comportamento de sinterização, ajuste os parâmetros de fresamento do aço inoxidável em pó. Pós mais finos vão levar a uma menor sinter começando a temperatura. Um atrito mais longo tempo de trituração levará para energias superiores de luxação e maior encolhimento. Fresamento planetário leva a pó salpicado, que é aplicável em compostos do polímero.
      Nota: O sucesso da adaptação é influenciado pelas matérias-primas. Otimização deve ser conduzida. Um deslocamento das curvas de sinterização também pode ser gerado pelo fracionamento do pós. Fracções de pó fino tendem a começar a sinterização a baixas temperaturas.

2. o filamento produção

  1. Preparação de matéria-prima
    Nota: Para a preparação da matéria-prima de zircônia, seque o pó para reduzir a tendência para aglomerado de27. Seca o material a 80 ° C em um forno a vácuo por um período mínimo de 1 hora.
    1. Pré-composto do material em um misturador de rotores de rolo por 30 minutos a 60 rpm.
      1. Certifique-se de que a temperatura é alta o suficiente para derreter todos os componentes do fichário. Apresentar os componentes de fichário e esperar até derreter. Alimentar o pó em 5 consecutivos carrega cada 5 min.
      2. No final do processo, extrai o material da câmara em pedaços pequenos para facilitar a etapa 2.1.2.
        Nota: Para ambos os materiais, conteúdo de pó de 47% Vol. foram realizado dentro de matérias-primas termoplásticas.
    2. Granulado ou peletizar o material sólido após arrefecimento à temperatura ambiente.
      1. Quando é utilizado um moinho de corte, introduza gradualmente as peças de material. Espere até que os pedaços dentro são granulados para apresentar as próximas.
      2. Na saída da câmara de moagem, use uma peneira com perfurações de 4 x 4 mm quadrado para obter grânulos de tamanho adequado. Este procedimento é necessário para uma alimentação contínua da extrusora de parafuso gêmea ou rolo de cisalhamento (etapa 2.1.3).
    3. O material em taxas de alto cisalhamento para melhorar a dispersão, por exemplo, em uma extrusora de parafuso gêmea deGiro (TSE) ou em uma tesoura rolo extrusora do composto. Coletar o material com uma correia transportadora e resfriá-lo até à temperatura.
      Nota: Neste estudo, foi utilizada uma extrusora de parafuso gêmea degiro. A velocidade de rotação do parafuso foi definida para 600 rpm e um perfil de temperatura de 170 ° C na zona de alimentação até 210 ° C, na morrer foi definido.
    4. Granulado ou peletizar o material sólido após arrefecimento à temperatura ambiente. Use o procedimento de 2.1.2 ou peletizar o material na extremidade da correia transportadora com um granulador. Se necessário, repita o processo até que as bolinhas tem um comprimento igual ou inferior a 4 mm.

Figure 2
Figura 2 : Linha de produção de filamento. O material é extrudado na forma controlada pelo Regulamento da velocidade de extrusão e temperatura. Depois, é coletado e conduzido por uma correia transportadora e transporta-fora a unidade. Mede-se o diâmetro do filamento e se os valores estão dentro da faixa desejada, o filamento é colocada em spool. Para regular as dimensões de filamento, as velocidades de puxar e o spool devem ser ajustadas progressivamente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. Extrusão de filamentos
    Nota: A Figura 2 mostra um esquema do processo de fabricação para preparação de filamento e os parâmetros variáveis que definem o diâmetro do filamento na parte inferior. O filamento é coletado por uma correia transportadora e puxou pela ação de dois pares de contador girar os rolos. Os valores do diâmetro e ovalização são medidos em um dispositivo de medição laser, e os parâmetros de processo são ajustados para regular a geometria do filamento. Finalmente, o material é armazenado em bobinas. A produção de filamentos com uma constante variedade de dimensões é fundamental para a reprodutibilidade do processo, uma vez que o fluxo volumétrico em FFF é dependente da geometria do filamento.
    1. EXTRUDE o material a 30 rpm a uma temperatura acima do ponto de fusão dos componentes do fichário. Para um bom controle da pressão e do filamento qualidade, use uma extrusora de único parafuso com um diâmetro do bocal de pelo menos 1,75 mm.
      Observação: Para pequenas quantidades de material, um rheometer capilar de alta pressão pode ser empregado na fase de desenvolvimento material. No entanto, uma má qualidade dimensional do filamento pode ser esperada.
      Nota: Os passos 2.1 e 2.2.1 podem ser combinados em um processo de extrusão de parafuso gêmeo adequada.
    2. Colete o material extrudado. Use uma correia transportadora para coletar e resfriar o material extrudado. Ar ou água elementos de refrigeração pode ser exigida quando usando extrusão de alta velocidade.
    3. Medir e controlar as dimensões do filamento. Para uma velocidade de extrusão particular, regular progressivamente a correia transportadora e puxando a velocidades para ajustar as dimensões do filamento (diminuir o transportador e puxando a velocidades para um diâmetro maior). Produzir filamentos com uma gama de diâmetros de 1,70 a 1,80 mm e menor do que 0,10 mm ovalização.
      Nota: O valor de ovalização é definido como a diferença entre os diâmetros mínimos e máximos. Para um filamento perfeitamente redondo, uma ovalização de zero deve ser obtida.
    4. Carretel do material. Uma unidade adicional de spool (Figura 2) pode ser colocada na extremidade da correia transportadora para o Spool automático.

3. o aditivo fabricação de componentes verdes

  1. Investigação de parâmetros de processo ideal
    1. Antes de imprimir, use software de corte comercial. Este software pode ser aplicado para configurar os parâmetros de impressão e gerar o código g para o dispositivo de impressão de um modelo de CAD 3D.
    2. Para impressão, considere os seguintes parâmetros essenciais:
    • temperatura da cama para a adesão de cama
    • velocidade de impressão de materiais diferentes
    • variando a temperatura de impressão para o constante fluxo de material
    • controle de ventilador para oferecer suporte a solidificação de strand impresso de refrigeração
    • temperatura de impressão para melhor aderência entre camadas
    • parâmetros de retração para evitar escorrendo e usando um "pilar principal"
    • fluxo de materiais variado para garantir a mesma largura da vertente de materiais diferentes
  2. Sou dos componentes de teste
    1. Executar AM de amostras verdes com uma impressora 3D comercial (ver Tabela de materiais). Fabricação de componentes de teste single-material antes da impressão de componentes múltiplos materiais.
      1. Corrigi qualquer possível desalinhamento dos bicos no software da impressora antes de fabricação de componentes de vários materiais.
    2. Fabricação de componente único
      1. Carrega a cabeça de impressão 1 com o filamento de zircônia e cabeça de impressão 2 com o filamento de aço inoxidável. Para ambos os filamentos, use uma velocidade da cabeça de impressão de 10 mm/s e impressão cama temperatura de 20 ° C. Definir a temperatura da cabeça de impressão de zircônia para 220 ° C e aço inoxidável para 240 ° C.
        Nota: Como uma primeira amostra de geometria, cuboides foram fabricados para os materiais simples e instalação de sanduíche diferente foi escolhida para o componente multi material. Todos os componentes verdes tinham finais dimensões de 15 x 15 mm e espessura variada 1-3 mm e eram fabricadas com uma camada de espessura de 0,25 mm. A temperatura da cabeça de impressão pode ser variada para alcançar a desejada fluidez das matérias-primas. Elevando a temperatura leva a uma redução da viscosidade. As temperaturas ideais de impressão dos dois materiais podem ser diferentes.
    3. Fabricação de vários material
      1. Fabricar componentes múltiplos materiais alternando-se com duas ou três camadas diferentes, por exemplo., aço inoxidável de 1 mm / zircônia 1 mm / aço inoxidável de 1 mm ou 1 mm zirconia / aço inoxidável de 1 mm / zircônia 1 mm.
        Nota: Na impressão de multicomponentes, pode ser muito útil para usar um "pilar principal" para transições de materiais afiadas e precisas. Quando mudar a cabeça de impressão, alguns milímetros do filamento são necessários até que o material preenche o bocal usado para ser expulso, levando a falhas. Portanto, a aparência da parte não é tão bom quanto poderia ser. Para evitar esse comportamento, o pilar"prime" ao lado a parte de impressão, isso pode ser definido no software. Uma camada do pilar principal (Torre retangular, Figura 3) serão impressos primeiro quando se muda o bocal, para garantir que o bocal é preparado e pronto para imprimir antes de continuar com as camadas de parte.
    4. Otimização da fabricação
      1. Usar um "lodo-escudo" se necessário; Este é uma impressa parede fina em torno do componente (Figura 4). Depois que a cabeça de impressão muda-se para o segundo componente do lado de fora a parte, tem o bocal atravessar esta parede, quando ele se move da torre. Todo o material aderente irá ser descascado fora do bocal neste escudo e pode aumentar a precisão da deposição de material na parte a ser impresso.
        Nota: Otimizações adicionais a respeito da qualidade realizável são possíveis por ajustes finos de fluxo, a largura de extrusão e o multiplicador de extrusão, supondo que o diâmetro do filamento é constante.

Figure 3
Figura 3 : Fabricação de componente de metal-cerâmica com estrutura de torre. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4 : Impressão virtual de um componente com em torno de lodo-escudo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. debinding e sinterização de componentes

  1. Realize debinding em duas etapas consecutivas. Primeiro, realize a extração de solvente e tratamento térmico em seguida para decompor os componentes de ligante residual.
    1. Realizar a extração solvente com as partes verdes impressas usando o ciclo-hexano em 60 ° C. Cobrir as amostras com suficiente cicloexano e tratá-los para os aspectos da segurança de fogo do considere 8 h. ao efectuar este passo. Um teor de ligante solúvel de aproximadamente 7-9% de peso será removida aqui.
      Nota: Aplicar uma extração solvente leva à reduzida inchaço efeitos durante thermaldebinding subsequente.
    2. Execute debinding térmica em uma fornalha debinding em atmosfera de argônio, a fim de proteger os materiais de redução (ocorrido sob atmosfera de nitrogênio) ou oxidação. Use uma temperatura máxima de 440 ° C e taxas de aquecimento diferentes entre 5 ° C/h e 150 ° C/h.
      1. Para caracterizar ou otimizar o comportamento debinding de ambas as matérias-primas, aplicar uma térmica química análise sob nitrogênio vazão até 600 ° C para avaliar as taxas de aquecimento adequado.
  2. Realize em uma atmosfera de redução de 80% de argônio e 20% de hidrogênio em uma fornalha de tungstênio de alta temperatura de sinterização. Usar as taxas de aquecimento entre 3 ° C/min e 5 ° C/min para chegar a uma temperatura máxima de 1.365 ° C. Depois de um tempo de interrupção de 3h, esfrie o forno à temperatura ambiente.

Representative Results

Os melhores resultados para aço inoxidável aglomerando o comportamento de encaixe foram obtidos com um atrito, tempo de 180 minutos e um moinho de esfera planetária (PBM) tempo de 240 minutos de trituração de trituração. A Figura 5 mostra uma imagem SEM o pó não tratado (à esquerda), as partículas deformadas após o atrito trituração (médio) e as partículas picadas após a etapa de moagem de PBM (à direita).

Figure 5
Figura 5 : Não tratado aço inoxidável < 38 µm (D90) (à esquerda), pó de aço inoxidável após atrito trituração (médio) e pó de aço inoxidável após PBM trituração (direita) Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O comportamento de sinterização de pó aço inicial e branqueado são comparados com o comportamento de sinterização do pó de zircônia na Figura 6, todos medidos com um Dilatômetro óptico.

Figure 6
Figura 6 : Curvas dilato métricos do pó de zircônia (TZ-3Y-SE) e o pó de aço inoxidável (17-4PH) em estado inicial e depois de um tratamento de moagem de alta energia do aço inoxidável pó. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A melhoria das propriedades mecânicas como matéria-prima na etapa de composição de alto cisalhamento foi caracterizada para o mantimento de zircônia. Matéria-prima produzida em uma única etapa de composição de 75 min em um misturador de rotores de rolo (RM) foi comparada com o produzido pelo método descrito no protocolo. Filamentos foram extrudados usando um rheometer capilar de alta pressão com um dado de 1,75 mm de diâmetro, uma velocidade do pistão de 1 mm/s e uma temperatura de 190 ° C. Os filamentos foram coletados com uma correia transportadora e testaram com uma máquina de teste universal elástica. Pelo menos 5 repetições foram realizadas por material. A Figura 7 mostra uma comparação entre os dois materiais sobre a resistência à tração (UTS), o alongamento na UTS e o módulo secante.

Figure 7
Figura 7 : Influência do método combinando as propriedades mecânicas da matéria para a zircônia. Matéria-prima foi agravada em um misturador interno do rolo (RM) ou em combinação com um passo de parafuso gêmeo co-rotação (TSE). A força, a flexibilidade e a rigidez de filamentos produzidos com um capilar rheometer foram determinados utilizando o valor médio e o desvio padrão correspondente da resistência à tração (UTS), o alongamento no UTS e o módulo secante, respectivamente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Na Figura 8, os valores de diâmetro obtidos durante a produção dos filamentos feitos de zircônia (à esquerda) e matérias-primas de aço inoxidável (à direita) são apresentados. O diâmetro do filamento extrudado foi gravado durante o processo de produção através da extrusão de uma hélice. Para os filamentos de zircônia, um bom controle das dimensões poderia ser alcançado com um diâmetro médio de 1,75 mm e um desvio padrão de 0,02 mm. Para os filamentos que contém o pó modificado de aço inoxidável, observou-se uma maior variabilidade do diâmetro médio do filamento. Uma possível razão para isso pode ser uma distribuição homogênea de partículas dentro da matéria-prima resultante de plaquetas, como forma das partículas metálicas (Figura 5). Neste caso, um maior número de pontos de medição foram encontrado fora do intervalo desejado de 1,75 mm ± 0,05 mm e o valor do diâmetro médio foi de 1,74 mm com uma variação de padrão de 0,03 mm. Para ambos os tipos de filamentos, os valores de ovalização foram consideravelmente menores do que o limite de 0,1 mm.

Figure 8
Figura 8 : Histogramas do diâmetro do filamento para os materiais estudados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A Figura 9 mostra os filamentos de metal e zircônia apropriados para fabricar estruturas sanduíche verde com o composição zircônia aço aço (à esquerda) bem como zircônia-aço-zircônia (direita).

Figure 9
Figura 9 : Verde-aço-aço-zircônia (à esquerda) e zircônia-aço-zircônia componentes (à direita) aditivamente fabricados pela FFF. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Devido ao sistema de fichário semelhantes de ambos os materiais, é possível fundir certas camadas para uma parte composta monolítica. Uma maior redondo em forma parte com transições nítidas é mostrada na Figura 10.

Figure 10
Figura 10 : Estrutura com transições nítidas entre Zirconia e aço inoxidável. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A Figura 11 mostra outros verdes single e multi anti-material componentes que foram tratados posteriormente. A Figura 12 mostra um exemplo de zircônia pura no lado esquerdo, meio mostra um exemplo de puro aço inoxidável, e finalmente um composto de aço-cerâmica sinterizado e bem Unido é retratado no lado direito.

Figure 11
Figura 11 : Amostras de teste verde fabricadas pela FFF; top: zircônia-aço-compósitos com aço inoxidável na parte superior; média: aço inoxidável; inferior: zircônia. Caixa de grade 5 mm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 12
Figura 12 : Aglomerado amostra de zircônia (à esquerda), a amostra de inox sinterizado (médio) e sinterizados de aço inoxidável-zircônia-composto (à direita). Todas as escalas em mm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Na Figura 13, uma estrutura típica do FFF-componentes com virilhas (ou sub perímetro) entre dois filamentos depositados é mostrada, que resultou de um ordinário fatiamento (caminho de ferramenta) e o modo contínuo de deposição de material.

Figure 13
Figura 13 : Estrutura típica de FFF-componentes resultantes de corte e deposição de material contínua. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Aumentando o multiplicador de extrusão no software da corte, que leva a uma maior deposição de volume, o perímetro sub pode ser reduzida, bem como adaptando-se os caminhos de ferramenta. No entanto, devido ao alto teor de partículas em filamentos, é evidente que o comportamento de deposição difere de impressão comuns de termoplásticos. Portanto, uma modificação de software para fechar tais defeitos é desejável.

Depois debinding solvente, debinding térmica e sinterização subsequentes, todas as amostras diferentes não mostrou nenhuma deformação significativa ou inchaço. Os sinterizado puro zircônia e aço inoxidável FFF espécimes tem uma boa estabilidade geométrica, com e sem carga compressiva e eles não a fivela. A perda de massa total foi 14,8-14,9%, indicando debinding completa.

As amostras de metal-cerâmica mostraram uma boa adesão macroscópica de ambos os materiais. A perda de massa após a sinterização dos compósitos foi encontrada para ser 14.1-14,4%, o que também indica um debinding completo. Outros ajustes de análise e o processo seguirá. A caracterização de microscópio eletrônico dos compósitos destina-se a fornecer informações sobre a qualidade da resina composta. A formação desejada de composição foi realizada com sucesso, como mostrado na Figura 14.

Figure 14
Figura 14 : SEM imagem da microestrutura na interface metal-cerâmica, mostrando o material comum. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Os resultados mostram que uma abordagem promissora para a fabricação de compósitos metal-cerâmica usando FFF gerando Propriedades isolantes elétricas condutivas e elétricas em um componente. Além disso, a implementação de peças cerâmicas em ambientes metálicos torna-se possível devido à boa ligação material e soldabilidade do aço inoxidável. No seio da UE, dispositivos de aquecimento do projeto foram fabricados pela FFF contendo um caminho condutor elétrico feito de aço inoxidável em um não-condutor ZrO2 matriz. Figura 15 mostra as amostras sinterizadas. Esses componentes multi materiais devem ser analisados e testados no futuro.

Figure 15
Figura 15 : Aglomerado de elementos feitos de zircônia e aço inoxidável de aquecimento Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 16 e Figura 17 mostram a nova cabeça de impressão com duas cabeças de impressão-FFF e duas cabeças de impressão-T3DP como modelo de CAD (Figura 16) bem como implementado no dispositivo FFF (Figura 17). Um desafio é controlar a saída para ambos os sistemas. Para o micro unidades de distribuição, a saída é controlada pela frequência de um pistão piezo-conduzido em vez da velocidade de motores de passo a passo para as unidades de cinto dentro das cabeças de impressão-FFF. A interação dos dois dispositivos deve ser testada no futuro.

Figure 16
Figura 16 : Modelo CAD de nova cabeça de impressão com duas cabeças de impressão-FFF e duas cabeças de impressão-T3DP. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 17
Figura 17 : Imagem de nova cabeça de impressão com duas cabeças de impressão-FFF e uma cabeça de impressão-T3DP (à esquerda). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

A zircônia e aço inoxidável utilizados aqui são muito apropriados para a sinterização co de componentes de metal-cerâmica, por causa do CTE comparável, temperatura de sinterização e atmosfera de sinterização. O comportamento de sinterização do zircónio e as matérias-primas do aço inoxidável pode ser ajustado com sucesso pelo tratamento do pó de aço inoxidável (Figura 9). Usando os métodos e materiais mencionados, é possível fabricar peças de defeitos macroscópicas pela FFF pela primeira vez. Para o conhecimento dos autores, nenhum outro método AM comparável é conhecido por fabricar tais peças exceto T3DP19,20. Uma aplicação para componentes cerâmicos metais é mostrada na Figura 17, que é um elemento de aquecimento com um condução elétrica em loop aço inoxidável em uma matriz de zircônia isolante.

Um dos principais desafios para o FFF dos componentes metálicos e cerâmicos é o aumento dramático da rigidez e fragilidade dos filamentos devido ao alto teor de sólidos. Portanto, a seleção dos componentes do fichário certo foi um factor-chave para o sucesso do projeto. Além disso, a força e a flexibilidade dos filamentos podem ser melhoradas pelo uso de uma tesoura elevada mistura técnica (Figura 7). De acordo com estudos anteriores com sistemas altamente preenchido28, esta melhoria pode ser causada por uma melhor dispersão de pó e redução dos aglomerados29,30.

A investigação e o ajuste da extrusão, puxando e spool velocidades durante o processo de produção de filamento permitiram a produção de filamentos altamente cheio de partículas com dimensão adequada. Outros parâmetros como a distribuição de temperatura dentro da extrusora, bem como o uso de dispositivos de refrigeração significativamente influenciaram a qualidade do filamento e foram escolhidos com cuidado.

Ambos os filamentos foram processados no FFF-dispositivo com êxito. A adesão entre as matérias-primas foi encontrada para ser muito bom no estado verde (Figura 7-9). Apenas alguns pequenos volumes vazios eram visíveis, que são tipicamente por um processo de ponta FFF (Figura 13). Para fechar esses volumes críticos com materiais termoplásticos, o FFF-dispositivo foi equipado com duas unidades de dispensa micro conhecidas de T3DP18,19,20,31,32, que permitir que a deposição de gotículas única para fechar os volumes preenchidos insuficientes, bem como a fabricação de estruturas mais finas (Figura 14 e 15).

Restrições geométricas da complexidade de parte ou resolução são fortemente dependentes da configuração da impressora o material contínuo fluir bem como o software de corte utilizado. As regras de design e a aparência resultante de parte no máximo são encontrados para ser semelhante ao uso de FFF de plásticos.

Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Este projeto recebeu financiamento do União Europeia Horizonte 2020 programa de investigação e inovação sob Grant acordo n 678503.

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