Sammenvoksede glødetrådens fabrikation (FFF) af Metal-keramisk komponenter

Engineering
 

Summary

Denne undersøgelse viser flere materielle additive manufacturing () ved hjælp af smeltet glødetrådens fabrikation (FFF) af rustfrit stål og zirconia.

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

Teknisk keramik er almindeligt anvendt til industri og forskning applikationer, samt for forbrugsvarer. I dag, stiger behovet for komplekse geometrier med forskellige tilpasningsmuligheder og gunstige produktionsmetoder kontinuerligt. Med sammenvoksede glødetrådens fabrikation (FFF) er det muligt at producere store og komplekse komponenter hurtigt med høj materialeudnyttelse. I FFF, er en kontinuerlig termoplastisk glødetråd smeltes i en opvarmet dyse og deponeret nedenfor. Skrivehovedet computerstyrede er flyttet for at opbygge den ønskede form lag på lag. Undersøgelser vedrørende udskrivning af metaller eller keramik stiger mere og mere i forskning og industri. Denne undersøgelse fokuserer på additive manufacturing (AM) med en multi materielle tilgang til at kombinere en metal (rustfrit stål) med en teknisk keramik (zirconia: ZrO2). Kombinerer disse materialer tilbyder en bred vifte af applikationer på grund af deres elektriske og mekaniske egenskaber. Papiret viser de vigtigste spørgsmål i udarbejdelse af materiale og råvare, enhed udvikling og udskrivning af disse kompositter.

Introduction

Ifølge ISO/ASTM er tilsætningsstof fremstillingsindustrien (AM) den generelle betegnelse for teknologier, der skaber fysiske objekter baseret på en geometrisk repræsentation af successive tilsætning af materielle1. Derfor, disse teknologier tilbyder muligheden for fremstilling af komponenter med ekstremt komplekse geometri, som ikke kan nås af alle andre forme teknik kendt til forfatterne.

Keramiske materialer er blevet studeret siden den tidlige udvikling af de forskellige AM teknologier i det sidste kvart århundrede2,3; additive manufacturing af keramiske komponenter er imidlertid ikke topmoderne i modsætning til tilsætningsstoffet fremstilling af polymer eller metal komponenter. Flere oversigter om AM teknologier bruges til keramiske komponenter er givet ved Chartier et al. 4, Travitzky et al. 5 og Zocca et al. 6, som kan klassificeres efter tilstanden af det materiale, der er brugt - pulver materialer, flydende materialer og solide materialer4,5 eller efter slags materiale deposition og størkning6 . AM enheder findes der tillader tilsætningsstof fremstilling af tætte og høj kvalitet keramiske komponenter med de ønskede egenskaber for de fleste programmer7,8,9,10 , 11.

Produktion af keramiske komponenter kræver komplekse behandling, og det er gået i stå fremskridt i AM af keramik. Keramiske komponenter er dog uundværlige for særlige forbrugsvarer og medicinsk udstyr og AM åbner nye horisonter for fremstilling af nye komponenter med "umulige" geometrier12. For tekniske keramiske komponenter, en efterfølgende varmebehandling af de fremstillede komponenter kræves siden AM udformningen af keramik kræver brug af pulvere opslæmmet i organiske bindemidler, der skal fjernes (dvs., emneprøver) før de pulver er smeltet sammen (dvs., sintring).

AM af multi materiale eller multi-funktionelle komponenter kombinerer fordelene ved AM og funktionelt graded materialer (FGM)13 i keramik-baserede 4 D-komponenter14. Materielle hybrider tillade ejendom kombinationer såsom elektrisk ledende/isolerende, magnetisk/ikke-magnetiske, duktilt/hårdt eller forskellige colorations. Hybrid komponenter kan udstille sensor eller aktuator funktioner kendt fra MEMS (mikro elektromekaniske systemer)15 så godt. Desuden, metal/keramiske kompositter kan supplere forbinder keramiske dele til maskiner, da konventionelle Svejselige stål partnere kan bruges.

Europæiske projekt cerAMfacturing (EU-projekt CORDIS 678503) er ved at udvikle AM teknologier for enkelt materialekomponenter samt en helt ny tilgang for AM multi materielle elementer, som vil tillade serieproduktion af tilpassede og multifunktionelle komponenter til forskellige applikationer12. Tre forskellige suspension-baserede AM teknikker er kvalificeret til at tillade AM af keramik-keramik samt metal-keramisk komponenter. Udnyttelsen af suspension-baserede AM teknikker lover forbedret komponent ydeevne i forhold til pulver-baserede metoder. Eftersom partikel fordelingen af pulver i en suspension er mere ensartet og mere kompakt end i en pulver seng, give disse forme metoder højere grønne tætheder, hvilket resultere i sintret komponenter med tætte mikrostrukturer og lav overfladeruhed niveauer12.

Sammen med litografi-baserede keramik produktion (LCM)7,8,9,10,11,16,17, smeltet glødetrådens fabrikation (FFF) og termoplastisk 3D-udskrivning (T3DP)12,14,18 er ved at blive udviklet. FFF og T3DP er mere velegnede til AM af multi materialekomponenter end LCM på grund af den selektive deposition og solidificering af det bestemte materiale i stedet for ren selektiv størkning af materiale deponeret over hele lag14 .

En yderligere fordel ved FFF og T3DP i forhold til LCM er brugen af termoplastiske bindemiddel systemer i stedet for foto-hærdning polymerer. Bindemiddel systemet muliggør behandling af pulvere uafhængigt af deres optiske egenskaber såsom absorption, emission og refleksion af elektromagnetiske bølger, fx, mørke og lyse materialer (i synlige spektrum), som er nødvendige for produktionen metal-keramisk komponenter19,20. Derudover er lav investering nødvendig for FFF udstyr, da en lang række standardenheder er tilgængelige. Denne teknik bliver økonomisk på grund af den høje materialeudnyttelse og genanvendelige materialer. Endelig er FFF nemt at opskalere til store dele, da processen er baseret på at flytte skrivehovedet på aksler.

Dette paper præsenterer de første resultater af fremstillingsprocessen metal-keramisk komposit ved hjælp af FFF. Derudover præsenteres den tekniske kombination af FFF og T3DP enheder, selv om det er stadig under udvikling. I forbindelse med FFF er filamenter af termoplastisk polymerer smeltet og selektivt ekstruderet ved hjælp af to counter roterende elementer. Når materialet er ekstruderet gennem dysen, størkner det ved afkøling, muliggør fremstilling af komponenter lag på lag. For at producere endelige keramiske og metalliske komponenter, har en variant af processen været udviklede21,22,23,24,25,26. De polymere stoffer, kendt som bindemidler, er meget fyldt med en keramisk eller metallisk pulver. Når udformningen af komponenterne, der er gennemført ved hjælp af de konventionelle FFF tilgang, der to yderligere trin påkrævet. Først, de polymere komponenter skal fjernes helt fra enhederne i emneprøver fase, skaber en struktur med talrige mikro-størrelse porer. For at nå de endelige egenskaber, sintret pulver sammentrykker efterfølgende ved en temperatur på under smeltepunktet af materialet. Brug denne fremgangsmåde, produktion af materialer som silicon nitride, smeltet silica, piezoelektriske keramik, rustfrit stål, wolframcarbid-kobolt, aluminiumoxid eller titandioxid23,24,25 er blevet med held udført andetsteds.

Brugen af meget fyldt polymere filamenter og karakteristisk for processen stille visse krav i materialer21. God kompatibilitet skal gives mellem komponenterne termoplastiske bindemiddel og pulver, som skal fordeles ensartet ved hjælp af kompoundering teknikker ved temperaturer over smeltepunktet af organisk bindemiddel komponenter, såsom æltning eller shear rullende. Da solid glødetråden skal fungere som et stempel i printhovedet at presse den smeltede materiale, er en høj stivhed og en lav viskositet forpligtet til at aktivere ekstrudering af materiale gennem dysen typisk diametre strækker sig fra 0,3 til 1,0 mm. I mellemtiden, skal materialet besidder tilstrækkelig fleksibilitet og styrke til at være formet som en glødetråd, der kan blive sat i kø. Hvis du vil kombinere alle disse egenskaber og samtidig have en høj belastning af pulver, udviklet forskellige multi-komponent binder systemer har været21,22,26.

Ud over brugen af passende bindemiddel formulering, har en ny drivende system været ansat i dette arbejde. Tandede drivhjul er anvendte til at skubbe glødetråden gennem dysen. Disse tænder kan beskadige sprødt glødetråden. For at reducere filamenter mekaniske krav og øge ekstrudering pres under FFF proces, blev den konventionelle FFF system af tandede drivhjul erstattet af en særlig dobbelt bælte system. Høj friktion og vejledning er genereret på grund af længden, form og særlige gummibelægning af Bælterne. Det vigtigste spørgsmål var at forebygge enhver buckling glødetrådens gennem printhovedet. Glødetråden skal være styret hele vejen til dysen, ingen plads er tilladt, og de nødvendige overgange mellem komponenterne skal overvejes.

Efter at have forladt den fodring enhed, træder glødetråden dyse enhed. De vigtigste mål var designet temperatur styring og gapless vejledning. Udviklede skrivehovedet er vist i figur 1.

Figure 1
Figur 1 : CAD model af den nye bælte drevet enhed (øverst) og billede af den reelle enhed (nederst). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

En anden stor udfordring at blive behandlet for produktion af metal-keramisk komponenter er udvælgelsen af pulvere, der tillader Co forarbejdning under termisk behandling (sammenlignelige koefficient for termisk udvidelse (CTE), temperatur regimer og atmosfære) og især justeringen af svind funktionsmåden for begge materialer under trinnet sintring. I dette arbejde, et forsøg på at kombinere zirconia og modificeret rustfrit stål 17-4PH, da de har en sammenlignelig CTE (ca. 11 x 10-6k) og kan være sintret på de samme betingelser (reducere brint atmosfære, sintring temperaturen: 1350-1400 ° C). For at justere svind adfærd, er en særlig fræsning procedure for metallisk pulver imidlertid krævede19,20.

Protocol

1. materialer

  1. Valg af bindemiddel komponenter
    1. Vælg bindemiddel systemet efter kriterier af stærkt fyldte forbindelser (pulver indhold af ca. 50 vol. %) defineret for FFF: høj mekanisk styrke, nok stivhed, lav viskositet og fleksibilitet for spooling. En drastisk reduktion af fleksibiliteten og stigning på viskositet kan forventes af en høj Fast indlæsning.
      Bemærk: I denne undersøgelse, en multi-komponent binder system var ansat. Fleste af komponenterne, der bestod af en termoplastisk elastomer at forbedre fleksibilitet og styrke. En functionalized polyolefin indgik som en rygrad til at forbedre adhæsion med pulveret. Endelig, stearinsyre (circa 5 vol. %) blev indarbejdet som et overfladeaktivt stof til god dispersion af pulvere. På grund af fortrolighedshensyn offentliggøres mere information ikke.
  2. Udvalg af pulvere
    1. Vælg en egnet pulver par for metoden multi materiale. For fælles behandling af en keramik og en metal pulver, vælge materialer med den samme koefficient for termisk udvidelse (CTE) og den samme svind opførsel under sintring i samme sintering atmosfære.
    2. Vælg den specifikke keramiske kvalitet. Vælg tetragonal yttria-stabiliseret zirconia due CTE og sintring temperaturen kan sammenlignes med rustfrit specialstål samt høj sejhed og bøjningsstyrke af denne keramisk materiale. Bruge zirconia pulver med et bestemt areal på 7 ± 2 m2/g og en partikelstørrelse på d50 = 0,5 µm.
    3. Vælg den specifikke metal kvalitet. Bruge rustfrit stål pulver som den ledende og duktilt metallisk materiale. Materialet skal have en sammenlignelig CTE og en række lignende sintring temperaturen til dem af zirconia under en beskyttende brint atmosfære.
  3. Justering af sintring adfærd
    1. For at opnå en stress-fri Co sintring, justere temperatur afhængige stamme adfærd (svind på grund af sintring og termisk ekspansion) begge pulver typer. Da zirconia pulver anvendes har høje overflade energi på grund af de fine partikler, skal du ændre rustfrit stål pulver af raffinering de forholdsvis store metal partikler og øge dislokation tæthed af deformation af atomic gitter.
      Bemærk: Først under Udmattelseskrigen fræsning, sfæriske stål partiklerne er igen formet til tynde og sprøde flager med en ekstremt høj dislokation tæthed. For det andet under høj energi fræsning trin (planetariske bolden fræsning, PBM), vil de sprøde flager blive opdelt i meget finkornet partikler med en øget sintering evne. På denne måde, øget sintering aktivitet af metallisk pulver kan nås og den faldende kurve kan justeres til kurven af zirconia, viser kun små forskelle19,20.
      1. Anvende udmattelseskrig fræsning (180 min.) til sfæriske rustfrit stål partikler re forme til tynde og sprøde flager.
      2. Udføre planetariske bolden fræsning (240 min) for at bryde den sprøde flager i meget finkornet partikler med en nedsat skærmformat, men en øget sintering evne.
  4. Evaluere effekten justering
    1. Bruge en stang eller optiske dilatometer til at måle funktionen svind af egnet materiale sammentrykker og sammenligne resultaterne. Brug af volumetriske pulver indholdet i begge materialer er den samme og anvende samme måling (varme satser, atmosfære, maksimal temperatur, hviletid).
    2. Hvis der er en høj uoverensstemmelse i sintering adfærd, justere parametrene fræsning af rustfrit stål pulver. Finere pulver vil føre til en lavere sinter starter temperatur. En længere udmattelseskrig fræsning tid vil føre til højere dislokation energier og højere svind. Planetariske fræsning fører til oversprøjtet pulver, der er gældende i polymer forbindelser.
      Bemærk: Succes af justeringen, der er påvirket af råvarerne. Optimering skal gennemføres. En omlægning af sintring kurver kan også blive genereret af fractioning pulvere. Fint pulver fraktioner har tendens til at begynde sintring ved lavere temperaturer.

2. glødetrådens produktion

  1. Råvare forberedelse
    Bemærk: Forberedelsen af zirconia råvare tørre pulver for at reducere dens tendens til at vedblive27. Tørt materiale på 80 ° C i et vakuum ovn i mindst 1 time.
    1. Pre sammensatte materiale i en rulle rotorer mixer i 30 minutter ved 60 rpm.
      1. Sikre, at temperaturen er høj nok til at smelte alle binder komponenter. Indføre binder komponenter og vente til smeltning. Feed pulver i 5 på hinanden følgende belastninger hvert 5 min.
      2. I slutningen af processen, uddrag materialet fra salen i små stykker til at lette trin 2.1.2.
        Bemærk: For begge materialer, pulver indholdet af 47 vol. % blev realiseret inden for de termoplastiske energiafgrøder.
    2. Granulat eller pelletize solid materialet efter afkøling til stuetemperatur.
      1. Når en skæring mølle er ansat, indføre de materielle stykker efterhånden. Vent, indtil stykker inde er granuleret for at introducere den næste ones.
      2. Ved afgangen fra den slibning kammer, skal du bruge en si med 4 x 4 mm firkant perforeringer for at få granulat af passende størrelse. Denne procedure er nødvendig for en konstant fodring af twin screw ekstruder eller vrid rullelejer (trin 2.1.3).
    3. Sammensatte materiale til høj shear priser kan forbedre spredningen, fx i en co roterende twin screw ekstruder (TSE) eller i en shear ekstruder. Indsamle materiale med et transportbånd og køle det ned til stuetemperatur.
      Bemærk: I denne undersøgelse, en co roterende twin screw ekstruder blev brugt. Skrue hastigheden blev sat til 600 omdr. / min. og en temperatur profil fra 170 ° C i zonen fodring indtil 210 ° C i dør blev defineret.
    4. Granulat eller pelletize solid materialet efter afkøling til stuetemperatur. Brug af proceduren med 2.1.2 eller pelletize materiale for enden af transportbånd med en pelletizer. Hvis det er nødvendigt, skal du gentage processen, indtil piller har en længde lig med eller mindre end 4 mm.

Figure 2
Figur 2 : Glødetrådens produktionslinje. Materialet er ekstruderet på en kontrolleret måde ved forordning af ekstrudering hastighed og temperatur. Bagefter, det er indsamlet og drevet af et transportbånd og træk-off enhed. Glødetrådens diameter måles og hvis værdierne er inden for det ønskede interval, glødetråden er sat i kø. For at regulere glødetrådens dimensioner, skal de trække og printspooling hastigheder justeres gradvist. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

  1. Glødetrådens ekstrudering
    Bemærk: Figur 2 viser en ordning af fremstillingsprocessen for glødetrådens forberedelse og de variable parametre, der definerer glødetrådens diameter i bunden. Glødetråden er indsamlet af et transportbånd og trak ved hjælp af to par af counter roterende tromler. Diameter og ovality værdier er målt i en laser måling enhed, og procesparametre er justeret for at regulere glødetrådens geometri. Materialet er endelig gemt på spoler. Fremstilling af filamenter med en konstant række dimensioner er kritisk for repeterbarhed af processen, da den mængde strøm i FFF er afhængige af glødetrådens geometri.
    1. Presse materiale på 30 rpm på en temperatur over smeltepunktet af bindemiddel komponenter. For en god kontrol af pres og glødetrådens kvalitet, skal du bruge en enkelt screw ekstruder med en dyse diameter på mindst 1,75 mm.
      Bemærk: For små mængder af materiale, en højtryks kapillær rheometer kan være ansat i den materielle udviklingsfasen. Ikke desto mindre kan en dårlig dimensionelle kvaliteten af glødetråden forventes.
      Bemærk: Trin 2.1 og 2.2.1 kan kombineres i en passende twin skrue ekstruderingsprocessen.
    2. Indsamle den ekstruderet materiale. Bruge et transportbånd til at indsamle og køle ned den ekstruderet materiale. Luft eller vand køling elementer kan være påkrævet, når du bruger høje ekstrudering hastigheder.
    3. Måle og kontrollere dimensionerne af glødetråden. For en bestemt ekstrudering hastighed, gradvis regulere transportbåndet og trække hastigheder for at justere dimensionerne på glødetråden (formindske transportbånd og trække hastigheder for en højere diameter). Producere filamenter med en diameter vifte af 1,70 til 1,80 mm og ovality mindre end 0,10 mm.
      Bemærk: Ovality værdien er defineret som forskellen mellem de største og den mindste diameter. For en perfekt rund glødetråd, skal der indhentes en ovality på nul.
    4. Spool materialet. En yderligere spooling enhed (figur 2) kan være placeret for enden af transportbånd til automatiske spooling.

3. tilsætningsstoffet fremstilling af grønne komponenter

  1. Undersøgelse af optimal procesparametre
    1. Før du udskriver, kan bruge kommercielle udskæring software. Denne software kan anvendes til at konfigurere parametrene udskrivning og til at generere g-kode udskriftsenhed ud af en 3D-CAD-modellen.
    2. Til udskrivning, skal du overveje følgende væsentlige parametre:
    • Bed temperatur for bed vedhæftning
    • print hastighed i forskellige materialer
    • varierende print temperatur for konstant materialeflow
    • kontrol af køling ventilator til at understøtte solidificering af trykte strand
    • udskrive temperatur for bedre vedhæftning mellem lagene
    • retraktion parametre at undgå oser og ved hjælp af en "første søjle"
    • varierende materialeflow forsikre samme strand bredde af forskellige materialer
  2. AM test komponenter
    1. Udføre AM af grønne prøver med en kommerciel 3D printer (Se Tabel af materialer). Fremstille single-materiale test komponenter før udskrivning multi materialekomponenter.
      1. Rette enhver eventuel forskydning af dyser i printersoftwaren før fremstilling multi materialekomponenter.
    2. Enkelt komponent fremstilling
      1. Indlæse skrivehovedet 1 med zirconia glødetråden og skrivehovedet 2 med rustfrit stål-filament. For begge filamenter, bruge en skrivehovedet hastighed på 10 mm/s og print bed temperatur på 20 ° C. Indstil skrivehovedet temperaturen af zirconia til 220 ° C og rustfrit stål til 240 ° C.
        Bemærk: Som en første prøve for geometri kasser blev fremstillet i de fælles materialer og forskellige sandwich setup er blevet valgt til den multi materialekomponent. Alle grønne komponenter havde endelige dimensioner af 15 mm x 15 mm og varieret tykkelse 1-3 mm og fremstilles med lagtykkelse 0,25 mm. Skrivehovedet temperatur kan varieres for at opnå den ønskede flydeevne af energiafgrøder. At hæve temperaturen fører til en reduktion af viskositet. De optimale udskrivningstemperaturer af de to materialer kan variere.
    3. Multi materielle produktion
      1. Fremstilling multi materialekomponenter ved skiftevis med to eller tre forskellige lag, fx., 1 mm rustfrit stål / 1 mm zirconia / 1 mm rustfrit stål eller 1 mm zirconia / 1 mm rustfrit stål / 1 mm zirconia.
        Bemærk: I multi-komponent udskrivning, kan det være meget nyttigt at bruge en "prime søjle" for skarpe og præcise materielle overgange. Når du ændrer skrivehovedet, er et par millimeter af glødetråden nødvendig indtil materialet fylder brugte dysen at blive ekstruderet, fører til huller. Derfor er udseende af del ikke så god som den kunne være. For at undgå denne funktionsmåde, udskrive den "prime søjle" ved siden af del, det kan indstilles i softwaren. Et lag af den vigtigste søjle (firkantet tårn, figur 3) vil blive udskrevet først, når du skifter dysen, for at sikre, at dysen er primes og klar til at udskrive før du fortsætter med del lag.
    4. Optimering af produktion
      1. Brug en "sive-shield" Hvis det er nødvendigt; Dette er en trykt tynd væg omkring komponenten (figur 4). Efter skrivehovedet ændringerne for den anden komponent udenfor del har dysen krydse denne mur, når den bevæger sig fra tårnet. Alt vedhængende materiale vil være skrælles fra dysen på dette skjold og præcisionen af materielle deposition på den del der skal udskrives kan øges.
        Bemærk: Yderligere optimeringer vedrørende den opnåelige kvalitet er muligt af finere justeringer af strømmen, ekstrudering bredde og ekstrudering multiplikator, antages det, at diameteren af glødetråden er konstant.

Figure 3
Figur 3 : Fremstillingsproces for metal-keramisk komponent med tårn struktur. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4 : Virtual print af en komponent med omgivende sive-shield. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

4. afbindingsgraden og sintring af komponenter

  1. Udfør afbindingsgraden i to på hinanden følgende trin. Første, udføre opløsningsmiddelekstraktion, og derefter termisk behandling at nedbrydes de resterende binder komponenter.
    1. Gennemføre opløsningsmiddelekstraktion med de trykte grønne dele ved hjælp af cyklohexan ved 60 ° C. Dække prøver med nok cyklohexan og behandle dem for 8 h. Overvej brand sikkerhedsaspekter, når de udfører dette trin. Et indhold af vandopløseligt bindemiddel på omkring 7-9 wt. % vil blive fjernet her.
      Bemærk: Anvender en opløsningsmiddelekstraktion fører til reduceret oppustethed effekter under efterfølgende thermaldebinding.
    2. Udføre termisk afbindingsgraden i en emneprøver ovn i en argon atmosfære for at beskytte materialerne fra reduktion (opstod under atmosfære af nitrogen) eller oxidation. Bruge en maksimal temperatur på 440 ° C og forskellige varme priser mellem 5 ° C og 150 ° C/h.
      1. For at karakterisere eller optimere emneprøver funktionsmåden af begge energiafgrøder, anvende en thermogravimetric analyse under kvælstof flow op til 600 ° C at evaluere passende opvarmning priser.
  2. Udføre sintring i en reducerende atmosfære af 80% argon og 20% brint i en høj-temperatur wolfram ovn. Bruge varme på mellem 3 ° C/min. og 5 ° C/min. til at nå en maksimal temperatur på 1365 ° C. Efter en hviletid på 3 h, cool ovn til stuetemperatur.

Representative Results

De bedste montering resultater for rustfrit stål sintring adfærd blev opnået med en udmattelseskrig fræsning 180 minutter og en planetarisk bolden mill (PBM) fræsning 240 minutter. Figur 5 viser et SEM-billede af ubehandlet pulveret (venstre), de deforme partikler efter Udmattelseskrigen fræsning (i midten) og de hakkede partikler efter PBM fræsning trin (til højre).

Figure 5
Figur 5 : Ubehandlet rustfrit stål < 38 µm (D90) (venstre), rustfrit stål pulver efter Udmattelseskrigen fræsning (i midten) og rustfrit stål pulver efter PBM fræsning (højre) Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Sintring funktionsmåden for den indledende og sleben stål pulver sammenlignes med sintring opførsel af zirconia pulver i figur 6, alle målt med en optisk dilatometer.

Figure 6
Figur 6 : Dilatometric kurver af zirconia pulver (TZ-3Y-SE) og rustfrit stål pulver (17-4PH) i den oprindelige tilstand og efter en højenergi fræsning behandling af rustfrit stål pulveret. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Forbedring af råvare mekaniske egenskaber i den high shear kompoundering trin var kendetegnet for zirconia råvare. En råvare, der er produceret i en enkelt kompoundering trin i 75 min. i en rulle rotorer mixer (RM) blev sammenlignet med den fremstillet ved den metode beskrevet i protokollen. Filamenter var ekstruderet ved hjælp af et højtryk kapillær rheometer med en die 1,75 mm diameter, et stempel hastighed på 1 mm/s og en temperatur på 190 ° C. Filamenter blev indsamlet med et transportbånd og testet med en universel trækstyrke test maskine. Mindst 5 gentagelser blev gennemført pr. materiale. Figur 7 viser en sammenligning af både materialer vedrørende trækstyrke (UTS), brudforlængelse på UTS og sekant modulus.

Figure 7
Figur 7 : Indflydelse af metoden kompoundering i mekaniske egenskaber af zirconia råvare. Råvare blev forværret i en intern roller mixer (RM) eller i kombination med en co roterende twin skrue trin (TSE). Styrke, fleksibilitet og stivhed af filamenter produceret med en kapillær rheometer blev bestemt ved hjælp af middelværdien og korrespondent standardafvigelse trækstyrke (UTS), brudforlængelse på UTS og sekant modulus, henholdsvis. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

I figur 8, diameter værdier opnået under fremstilling af filamenter af zirconia (venstre) og rustfrit stål (til højre) energiafgrøder er præsenteret. Diameteren af ekstruderet glødetråden blev optaget under produktionsprocessen via single-skrue ekstrudering. For zirconia filamenter, kunne en god kontrol over dimensionerne, der opnås med en gennemsnitlig diameter på 1,75 mm og en standardafvigelse på 0.02 mm. For glødetrådenes tilsat den modificerede rustfrit stål, blev en større variation af den gennemsnitlige glødetrådens diameter observeret. En mulig årsag til dette kunne være en inhomogene partikel fordeling inden for den råvare, fremkommer trombocyt-lignende form af metalliske partikler (figur 5). I dette tilfælde et højere antal målepunkter blev fundet udenfor den ønskede række 1,75 mm ± 0,05 mm, og den gennemsnitlige diameter værdi var 1,74 mm med en standard variation af 0,03 mm. For begge typer af filamenter var ovality værdierne betydeligt mindre end grænsen på 0,1 mm.

Figure 8
Figur 8 : Histogrammer af glødetrådens diameter for de undersøgte materialer. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 9 viser de egnet metal og zirconia filamenter til fremstilling af grøn sandwich strukturer med sammensætning stål-zirconia-stål (venstre) og zirconia-stål-zirconia (højre).

Figure 9
Figur 9 : Grøn stål-zirconia-stål (til venstre) og zirconia-stål-zirconia komponenter (til højre) additively fremstilles af FFF. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Den lignende bindemiddel system af både materialer er det muligt at smelte visse lag til en monolitisk sammensat del. En større runde formet del med skarpe overgange er vist i figur 10.

Figure 10
Figur 10 : Struktur med skarpe overgange mellem Zirconia og rustfrit stål. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 11 viser andre grønne single og multi anti-material komponenter, der blev yderligere behandlet. Figur 12 viser en ren zirconia prøve til venstre, i midten viser en ren rustfri prøve, og endelig et sintret og godt join stål-keramiske komposit er afbilledet til højre.

Figure 11
Figur 11 : Grøn testprøver fremstillet af FFF; top: zirconia-stål-kompositter med rustfrit stål på toppen, midten: rustfrit stål, bunden: zirconia. Gitter rubrik 5 mm. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 12
Figur 12 : Sintret zirconia prøve (venstre), sintret rustfrit stål prøve (i midten), og sintret zirconia-rustfrit stål-composite (til højre). Alle skalaer i mm. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

I Figur 13, er en typisk struktur af FFF-komponenter med krogene (eller sub perimeter) mellem to deponerede filamenter vist, som resulterede fra en almindelig udskæring (værktøj sti) og kontinuerlig måde af materielle deposition.

Figure 13
Figur 13 : Typiske struktur i FFF-komponenter som følge af udskæring og kontinuerlig materielle deposition. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Ved at hæve ekstrudering multiplikator i udskæring softwaren, hvilket fører til en højere volumen deposition, kan sub omkredsen være reduceret samt ved at tilpasse værktøj stier. Alligevel på grund af det høje indhold af partikler i filamenter er det indlysende, at depositionen funktionsmåde adskiller sig fra almindelig udskrivning af termoplast. En software ændring at lukke sådanne fejl er derfor ønskelig.

Efter opløsningsmidlet afbindingsgraden, termisk afbindingsgraden og efterfølgende sintring, alle de forskellige prøver viste ingen væsentlig deformation eller oppustethed. De sintrede ren zirconia og rustfrit stål FFF enheder har en god geometriske stabilitet både med og uden trykstyrke belastning og de spænde ikke. Den samlede masse tab var 14,8-14,9%, med angivelse af komplet afbindingsgraden.

Metal-keramisk prøver viste en god makroskopisk vedhæftning af begge materialer. Massetabet efter sintring af kompositter fandtes for at være 14,1-14,4%, hvilket også indikerer en fuld afbindingsgraden. Yderligere analyse og proces justeringer vil følge. Elektronmikroskop karakterisering af kompositter er beregnet til at give indblik i kvaliteten af sammensat. Den ønskede dannelsen af sammensat har fundet sted med succes som vist i Figur 14.

Figure 14
Figur 14 : SEM billede af mikrostrukturen i metal-keramisk interface viser materialet fælles. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Resultaterne viser, at en lovende tilgang til fremstilling af metal-keramisk komposit ved hjælp af FFF generere elektrisk ledende og elektrisk isolerende egenskaber i en komponent. Desuden bliver gennemførelsen af keramiske dele i metallisk miljøer muligt på grund af gode materielle bond og svejsbarhed af rustfrit stål. Inden for EU, blev projektet opvarmning enheder fremstillet af FFF indeholdende en elektrisk ledende sti af rustfrit stål i en ikke-ledende ZrO2 matrix. Figur 15 viser de sintrede prøver. Disse multi materialekomponenter skal analyseres og testet i fremtiden.

Figure 15
Figur 15 : Sintrede varmelegemer lavet af zirconia og rustfrit stål Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Fig. 16 og fig. 17 viser den nye printhovedet med to FFF-udskrivning hoveder og to T3DP-udskrivning hoveder som CAD-model (Figur 16) samt implementeret i FFF enhed (fig. 17). En udfordring er at kontrollere output for begge systemer. For mikro udlevering enheder, styres produktionen af hyppigheden af et piezo-drevet stempel i stedet for stepper motors hastighed for bælte drev i FFF-udskrivning hoveder. Samspillet mellem begge enheder skal testes i fremtiden.

Figure 16
Figur 16 : CAD model af ny printhovedet med to FFF-udskrivning hoveder og to T3DP-print hoveder. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 17
Figur 17 : Billede af ny printhovedet med to FFF-udskrivning hoveder og en T3DP-udskrivning hoved (til venstre). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Zirconia og rustfrit stål anvendes her er meget velegnet til den Co sintring af metal-keramisk komponenter på grund af den sammenlignelige CTE, sintring temperaturen og sintring atmosfære. Sintering funktionsmåden for zirconia og rustfrit stål energiafgrøder kan modificeres af behandling af rustfrit stål pulver (figur 9) med succes. Ved hjælp af de nævnte materialer og metoder, er det muligt at fremstille makroskopisk fejlfri dele af FFF for første gang. Til forfatternes viden kendes ingen andre sammenlignelige AM metode til fremstilling af sådanne dele bortset fra T3DP19,20. Én ansøgning om metal keramiske komponenter er vist i Figur 17, som er en radiator med en elektrisk ledende loopes rustfrit stål i en isolerende zirconia matrix.

En af de største udfordringer for FFF af metallisk og keramiske komponenter er den dramatiske stigning i stivhed og sprødhed af filamenter på grund af den høje tørstofindhold. Valg af de rigtige binder komponenter var derfor afgørende for projektets succes. Derudover kan styrke og fleksibilitet af glødetrådenes forbedres ved brug af en høj shear blanding teknik (figur 7). Ifølge tidligere undersøgelser med meget fyldt systemer28, kan denne forbedring skyldes en bedre pulver dispersion og reduktion af vandbad29,30.

Undersøgelse og tilpasning af ekstrudering, trække og spooling hastigheder under produktionsprocessen glødetrådens tilladt produktion af højt partikel-fyldt filamenter med de rette dimensioner. Andre parametre som temperaturfordelingen i ekstruder samt brugen af køleenheder betydeligt påvirket glødetrådens kvalitet og blev valgt omhyggeligt.

Begge filamenter blev behandlet i FFF-enheden korrekt. Vedhæftning mellem energiafgrøder blev anset for at være meget godt i grøn tilstand (figur 7-9). Kun nogle små ubesatte mængder var synlig, som er typisk for en topmoderne FFF proces (Figur 13). For at lukke disse kritiske diskenheder med termoplastiske materialer, FFF-enheden var udstyret med to mikro udlevering enheder kendt fra T3DP18,19,20,31,32, som Tillad aflejring af enkelt droplets til at lukke de utilstrækkelige fyldt diskenheder samt fremstilling af finere strukturer (Figur 14 og 15).

Geometriske begrænsninger af del kompleksitet eller opløsning er stærkt afhængige af printer setup den løbende materiale flow samt den anvendte udskæring software. Designregler og den resulterende del udseende findes på de fleste for at være svarer til at bruge FFF af plast.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Dette projekt har modtaget støtte fra EUs Horisont 2020 forskning og Innovation-programmet under Grant aftale nej 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