Smeltet Filament fabrikasjon (FFF) av metall keramisk komponenter

Engineering
 

Summary

Denne studien viser multi-materiale additiv produksjon (er) bruker smeltet filament fabrikasjon (FFF) av rustfritt 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 keramikk er mye brukt for industri og forskning programmer og forbruksvarer. I dag er øker etterspørselen etter komplekse geometrier med ulike tilpasningsalternativer og gunstige produksjonsmetoder kontinuerlig. Med smeltet filament fabrikasjon (FFF) er det mulig å produsere store og komplekse komponenter raskt med høy materiell effektivitet. FFF, er en kontinuerlig termoplastisk filament smeltet i en oppvarmet dyse og deponert nedenfor. Datastyrt hodet flyttes for å bygge opp ønsket fasong lagvis. Undersøkelser om utskrift av metaller eller keramikk øker mer og mer i forskning og industri. Denne studien fokuserer på additiv produksjon (AM) med en multi-materiale tilnærming kombinere et metall (rustfritt stål) med en teknisk keramisk (zirconia: ZrO2). Kombinerer disse materialene tilbyr et bredt spekter av programmer på grunn av deres forskjellige elektriske og mekaniske egenskaper. Papiret viser hovedpunktene i utarbeidelsen av materialet og råstoff, enheten utvikling og utskrift av disse kompositter.

Introduction

Ifølge ISO/ASTM er additiv produksjon (AM) den generelle betegnelsen for teknologier som oppretter fysiske objekter basert på en geometriske representasjon av påfølgende tillegg materiale1. Derfor gir disse teknologiene muligheten for produksjon komponenter med ekstremt komplekse geometri, som kan oppnås av noen andre forme teknikk kjent til forfatterne.

Keramiske materialer har vært studert siden den tidlige utviklingen av ulike AM teknologier i siste kvartal tallet2,3; additive industrien keramiske komponenter er imidlertid ikke toppmoderne i motsetning additiv produksjon av polymer eller metall komponenter. Flere oversikter om AM teknologiene anvendt for keramiske komponentene er gitt av Chartier et al. 4, Travitzky et al. 5 og Zocca et al. 6, som kan klassifiseres i henhold til staten av materialet som brukes - pulver materialer, flytende materialer og solide materialer4,5 eller ut fra materielle avsettelse og herding6 . AM enheter er tilgjengelige som tillater additiv produksjon av tett og høykvalitets keramiske komponenter med de ønskede egenskapene for de fleste programmer7,8,9,10 , 11.

Produksjon av keramiske komponenter krever komplisert behandling, og dette har stoppet fremdriften i AM av keramikk. Likevel er keramiske komponenter uunnværlig for spesielle forbruksvarer og medisinsk utstyr og AM åpner nye horisonter for fabrikasjon av romanen komponenter med "umulig" geometrier12. Tekniske keramiske komponenter, en påfølgende termalbehandling produserte komponenter kreves siden AM utformingen av keramikk krever bruk av pulver suspendert i organisk bindemidler som må fjernes (dvs., debinding) før den pulver er smeltet sammen (dvs. sintring).

AM av multi-materiale eller multi-funksjonelle komponenter kombinerer fordelene med AM og funksjonelt gradert materiale (FGM)13 i keramisk-basert 4 D-komponenter14. Materielle hybrider at egenskapen kombinasjoner som elektrisk ledende/isolerende, magnetiske/ikke-magnetisk, ductile/harddisk eller annen colorations. Hybrid komponenter kan vise sensor eller aktuator funksjoner kjent fra MEMS (mikro elektromekaniske systemer)15 også. Videre kan metal/keramiske kompositter utfylle begynte keramiske deler til maskiner siden konvensjonelle weldable stål partnere kan brukes.

Det europeiske prosjektet cerAMfacturing (EU-prosjekt CORDIS 678503) utvikler AM teknologier for enkelt materiale komponenter og en helt ny tilnærming til AM multi-materiale komponenter, som vil tillate serieproduksjon av tilpasset og multifunksjonelle komponenter for ulike programmer12. Tre ulike suspensjon-baserte AM teknikker er kvalifisert til å tillate AM keramiske keramisk samt metall keramisk komponenter. Utnyttelsen av suspensjon-baserte AM teknikker løfter bedre komponent ytelse i forhold til pulver-baserte metoder. Partikkel fordelingen av pulver i en suspensjon er mer homogen og mer kompakt enn i et pulver bed, gi metodene forme høyere grønne tettheter, som resulterer i sintered komponenter med tett microstructures og lav overflateruhet nivå12.

Sammen med litografi-baserte keramiske produksjon (LCM)7,8,9,10,11,16,17, smeltet filament fabrikasjon (FFF) og termoplastisk 3D-utskrift (T3DP)12,14,18 utvikles. FFF og T3DP er mer egnet for AM multi-materiale komponenter enn LCM selektiv avsettelse og herding av visse materiale i stedet for ren selektiv størkning materiale avsatt over hele laget14 .

En ekstra fordel av FFF og T3DP forhold til LCM er bruk av termoplastisk dokumentordner systemer i stedet for bilde-herding polymerer. Den bindemiddel gjør behandlingen av pulver uavhengig av deres optiske egenskaper som absorpsjon, utslipp og refleksjon av elektromagnetiske bølger, f.eks mørke og lyse materiale (i synlig område), som er nødvendig for produksjon metal keramisk komponenter19,20. Videre er lav investering nødvendig for FFF utstyr siden en rekke standard enheter er tilgjengelig. Denne teknikken blir økonomisk på grunn av den høye materialeffektivitet og resirkulerbare materialer. Endelig er FFF lett å oppskalere for store deler siden prosessen er avhengig av flytte skrivehodet aksler.

Dette dokumentet presenterer de første resultatene av produksjon metall-keramiske kompositter ved hjelp av FFF. I tillegg vises den tekniske kombinasjonen av FFF-og T3DP, selv om det er fortsatt under utvikling. I prosessen FFF er filamenter av termoplastisk polymerer smeltet og selektivt ekstrudert av to counter roterende elementer. Når materialet er ekstrudert gjennom munnstykket, størkner det av kjøling, slik at produksjonen av komponenter lag-på-lag. For å produsere endelig keramiske og metallisk komponenter, har en variant av prosessen vært utviklet21,,22,,23,,24,,25,,26. De polymere forbindelsene, kjent som binders, er svært fylt med en metallisk eller keramiske pulver. Når utformingen av komponentene er gjennomført ved hjelp av konvensjonelle FFF tilnærming, kreves det to ekstra trinn. Først må polymere komponentene helt fjernes fra de i debinding scenen, generere en struktur med flere mikrostørrelse porene. For å oppnå de endelige egenskapene, er pulver komprimerer deretter sintret ved en temperatur under Smeltepunkt av materialet. Bruker denne tilnærmingen, produksjon av materialer som silicon nitride, smeltet silika, piezoelectric keramikk, rustfritt stål, wolframkarbid-kobolt, alumina eller titandioksid23,24,25 har blitt vellykket utført andre steder.

Bruk av svært fylt polymere filamenter og karakteristisk for prosessen innføre visse krav i materialer21. God kompatibilitet må angis mellom termoplastisk dokumentordner komponentene og pulver, som må distribueres homogent bruke sammensatte teknikker ved temperaturer over Smeltepunkt av organisk bindemiddel komponenter, for eksempel elting eller skråstille rullende. Siden den solide filament har som et stempel i skrivehodet å presse smeltet materiale, kreves en høy stivhet og en lav viskositet aktivere byggesystemer materialet gjennom munnstykket med typiske diameter mellom 0,3 1.0 mm. I mellomtiden må materialet ha nok fleksibilitet og styrke å være formet som en filament som kan legges i kø. Hvis du vil kombinere alle disse egenskaper selv har en stor belastning av pulver, ulike multi-komponent dokumentordner systemene har vært utviklet21,22,26.

I tillegg til tilstrekkelig dokumentordner formulering, har en ny kjøring system vært ansatt i dette arbeidet. Vanligvis brukes toothed drivhjulene å presse filament gjennom munnstykket. Disse tennene kan skade den skjøre filament. For å redusere mekanisk kravene til filamenter og øke ekstrudering trykket under FFF prosessen, ble konvensjonelle FFF systemet av toothed drivhjulene erstattet av en spesiell dobbel båndsystem. Høy friksjon og veiledning genereres på grunn av lengden, formen og den spesielle gummibelegg av belter. Det viktigste spørsmålet hindrer noen buckling av filament gjennom skrivehodet. Filament må styres hele veien til munnstykke, ingen ledig plass er tillatt og nødvendig overganger mellom komponentene må vurderes.

Etter å ha forlatt mating, kommer filament munnstykke enheten. Hovedmålene var designet temperatur ledelse og gapless veiledning. Utviklet skrivehodet er vist i figur 1.

Figure 1
Figur 1 : CAD-modellen av nye belte enheten (øverst) og bilde av ekte (nederst). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

En annen stor utfordring adressert for produksjon av metall keramisk komponenter er utvalget av pulver som tillater co behandling i løpet av den termale behandlingen (sammenlignbare koeffisient av termisk ekspansjon (CTE), temperatur regimer og atmosfære) og spesielt justeringen av krymping virkemåten til begge materialene under sintring trinnet. I dette arbeidet, forsøk er gjort for å kombinere zirconia og endret rustfritt stål 17-4PH siden de har en tilsvarende CTE (ca. 11 x 10-6/K) og kan være sintret ved samme vilkår (redusere hydrogen atmosfære, sintring temperaturen: 1350-1400 ° C). For å justere krymping atferden, er imidlertid en spesiell fresing prosedyre for metalliske pulveret nødvendig19,20.

Protocol

1. materialer

  1. Utvalg for dokumentordner
    1. Velge bindemiddel i henhold til kriteriene svært fylt forbindelser (pulver innholdet av ca 50 vol. %) definert for FFF: høy mekanisk styrke, nok stivhet, lav viskositet og fleksibilitet for utskriftskø. En drastisk reduksjon fleksibilitet og økt viskositeten kan forventes av en høy solid lasting.
      Merk: I denne studien, en multi-komponent bindemiddel system var ansatt. Fleste av komponentene besto av et termoplastisk elastomer å bedre fleksibilitet og styrke. En functionalized polyolefin var inkludert som en ryggrad å forbedre vedheft med pulver. Til slutt, stearinsyre (ca 5 vol. %) ble innlemmet som en surfactant for god spredning av pulver. Konfidensialitet årsaker avsløres ikke mer informasjon.
  2. Utvalg av pulver
    1. Velge en passende pulver par for multi-materiale tilnærming. For co behandling av en keramisk og et metall pulver, velge materialer med samme koeffisient av termisk ekspansjon (CTE) og samme krymping virkemåte under sintring i samme sintring atmosfære.
    2. Velg bestemte keramiske karakteren. Velg tetragonal yttria-stabilisert zirconia CTE og sintring temperaturen er sammenlignbare med spesielle rustfritt stål samt høy seighet og Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk styrken på denne keramisk materiale. Bruke zirconia pulver med et bestemt område på 7 ± 2 m2/g og en partikkelstørrelse d50 = 0,5 µm.
    3. Velg bestemte metall karakteren. Bruke rustfritt stål pulver som den ledende og ductile metallisk materialet. Materialet må ha en tilsvarende CTE og en lignende rekke sintring temperaturen til de av zirconia under en beskyttende hydrogen atmosfære.
  3. Justering av sintring atferd
    1. For å oppnå en stress-fri co sintring, justere temperaturen avhengige belastning virkemåten (krymping på grunn av sintring og termisk ekspansjon) av begge pulver. Zirconia pulver som brukes har høy overflate energi på grunn av de fine partiklene, endre rustfritt stål pulver ved raffinering forholdsvis stor metall-partikler og øke forvridning tettheten av deformasjon av atomic gitteret.
      Merk: Først under utmattelseskrig fresing, sfærisk stål partiklene er re-formet i tynn og sprø flak med en ekstremt høy forvridning tetthet. Dernest under det høy energi fresing steget (planetenes ball fresing, PBM) er deles sprøtt flak inn i svært finkornet partikler med en økt sintring evne. På denne måten økt sintring aktivitet av metallisk pulver kan nås og krympende kurven kan justeres til kurven på zirconia, viser bare små forskjeller19,20.
      1. Bruke slitasje fresing (180 min) til sfærisk rustfritt stål partikler å re-forme i tynn og sprø flak.
      2. Utføre planetenes ballen fresing (240 min) å bryte sprø flak i svært finkornet partikler med størrelsesforholdet redusert men en økt sintring evne.
  4. Evaluere justeringen suksess
    1. Bruk en stang eller optisk dilatometer å måle krymping virkemåten til egnet materiale komprimerer og sammenligne resultatene. Bruke volumetriske pulver innholdet i begge materialene er den samme og bruker samme målingen (oppvarming priser, atmosfære, maksimum temperatur, bor tid).
    2. Hvis det er en høy mismatch sintring oppførsel, justere parameterne fresing av rustfritt stål pulver. Finere pulver vil føre til en lavere sinter starter temperatur. En lengre slitasje fresing tid vil føre til høyere forvridning energier og høyere krymping. Planetenes fresing fører til klasket pulver som brukes i polymer forbindelser.
      Merk: Suksess for justeringen er påvirket av råvarer. Optimalisering må utføres. En forskyvning av sintring kurver kan også genereres av fractioning til pulver. Fint pulver fraksjoner pleier å begynne sintring ved lavere temperaturer.

2. filament produksjon

  1. Råstoff forberedelse
    Merk: For utarbeidelse av zirconia råstoff, tørr pulver for å redusere sin tendens til å agglomerate27. Tørr materialet 80 ° C i vakuum ovn i minst 1 time.
    1. Pre sammensatte materialet i en berg rotorer mikser i 30 minutter på 60 rpm.
      1. Kontroller at temperaturen er høy nok til å smelte alle dokumentordner komponentene. Presentere binder komponentene og vente til smelting. Feed pulveret i 5 laster påfølgende hver 5 min.
      2. På slutten av prosessen, ekstra materialet fra kammeret i små biter å lette trinn 2.1.2.
        Merk: For både materialer, pulver innholdet i 47 vol. % ble realisert i de termoplastiske feedstocks.
    2. Granulate eller pelletize av solid materiale etter nedkjøling til romtemperatur.
      1. Når en kutte mill er ansatt, presentere materialet bitene gradvis. Vent til brikkene i er granulert for å innføre neste de.
      2. Ved utgangen av kammeret, bruk en sil med 4 x 4 mm kvadrat perforeringer for å få granulater av tilstrekkelig størrelse. Denne prosedyren er nødvendig for en kontinuerlig mating av twin skrue extruder eller skjær roller (trinn 2.1.3).
    3. Sammensatte materialet høyt skjær priser forbedre spredning, eksempelvis i en co roterende twin skrue extruder (TSE) eller i en skjær rulle extruder. Samle materiale med et transportbånd og avkjøle det ned til romtemperatur.
      Merk: I denne studien, en co roterende twin skrue extruder ble brukt. Rotasjonshastigheten skruen ble satt til 600 rpm og en temperatur profil fra 170 ° C i sonen fôring til 210 ° C i dø ble definert.
    4. Granulate eller pelletize av solid materiale etter nedkjøling til romtemperatur. Bruk prosedyren for 2.1.2 eller pelletize materialet på slutten av samlebåndet med en pelletizer. Om nødvendig gjenta prosessen til pellets har en lengde lik eller mindre enn 4 mm.

Figure 2
Figur 2 : Filament produksjonslinjen. Materialet er heves på en kontrollert måte av regulering av ekstrudering hastighet og temperatur. Etterpå kan det samles og drevet av et transportbånd og hale av enheten. Filament diameter er målt, og hvis verdiene i ønsket område, filament er i utskriftskøen. For å regulere filament dimensjonene, må rykk og spoling hastighetene stadig justeres. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Filament ekstrudering
    Merk: Figur 2 viser et fargevalg produksjonsprosessen for filament forberedelse og den variable parametere som definerer filament diameteren på bunnen. Filament samles av et transportbånd og trukket av to par counter roterende valser. Diameter og ovality verdiene måles i en laser måleutstyr, og parameterne prosessen justeres regulere filament geometrien. Materialet er endelig lagret på spoler. Produksjon av filamenter med en konstant rekke dimensjoner er avgjørende for repeterbarhet av prosessen, siden volumet flyten i FFF er avhengige av filament geometri.
    1. Extrude materialet på 30 rpm ved en temperatur over smeltepunktet for dokumentordner. For en god kontroll av trykk og filament kvalitet, bruke en enkelt skrue extruder med munnstykke diameter minst 1,75 mm.
      Merk: For små mengder materiale, et høytrykk kapillært rheometer kan være ansatt i materielle utviklingsfasen. Likevel, en dårlig dimensjonal kvaliteten på filament ventet.
      Merk: Trinn 2.1 og 2.2.1 kan kombineres i en tilstrekkelig twin skrue ekstruderingsprosessen.
    2. Samle ekstrudert materialet. Bruk et transportbånd å samle og kjøle ned ekstrudert materialet. Luft eller vann kjøling elementer kan være nødvendig når du bruker høy ekstrudering hastigheter.
    3. Mål og kontrollere størrelsen på filament. For en bestemt ekstrudering hastighet, gradvis regulere transportbånd og trekke hastigheter for å justere størrelsen på filament (redusere transportøren og trekke hastigheter for en høyere diameter). Produsere filamenter med en diameter rekke 1,70 til 1.80 mm og ovality mindre enn 0.10 mm.
      Merk: Den ovality verdien er definert som differansen mellom maksimum og minimum diameter. For en perfekt runde filament, må et ovality på null hentes.
    4. Spole materialet. En ekstra spoling (figur 2) kan plasseres på slutten av samlebåndet for automatisk utskriftskø.

3. additiv produksjon av grønne komponenter

  1. Undersøkelse av optimal prosess parametere
    1. Bruke kommersielle kutting programvare før du skriver ut. Denne programvaren kan brukes til å definere parameterne for utskrift og generere g-koden for utskriftsenheten ut av 3D-CAD modell.
    2. For utskrift, kan du vurdere følgende viktige parametere:
    • seng temperatur for seng vedheft
    • utskriftshastighet av ulike materialer
    • varierende ut temperatur for konstant materialflyt
    • kontroll av kjølevifte støtte størkning trykte strand
    • skrive ut temperatur for forbedret vedheft mellom lag
    • retraksjon parametere for å unngå oser og bruker en «prime pilar»
    • varierende materialflyt å sikre samme strand bredde av ulike materialer
  2. AM test komponenter
    1. Utføre av grønne prøver med 3D trykkeriet (se Tabell for materiale). Produsere én-materiale test komponenter før du skriver ut multi-materiale komponenter.
      1. Korriger enhver mulig forskyvning av dysene i skriverprogramvaren før produksjon multi-materiale komponenter.
    2. Enkelt komponent produksjon
      1. Last skrivehodet 1 med zirconia filament og skrivehodet 2 med rustfritt stål-filament. Begge filamenter, bruke en skrivehodet hastighet på 10 mm/s og utskriften sengen temperatur på 20 ° C. Sett skrivehodet temperaturen på zirconia til 220 ° C og rustfritt stål til 240 ° C.
        Merk: Som en første test geometri prøve, cuboids ble produsert for enkelt materialer og forskjellige sandwich oppsett har blitt valgt for komponenten multi-materiale. Alle grønne komponenter hadde endelig dimensjoner av 15 x 15 mm og tykkelse 1-3 mm og ble produsert med lagtykkelse på 0,25 mm. Skrivehodet temperaturen kan endres for å oppnå den ønskede flowability av feedstocks. Øke temperaturen fører til en reduksjon av viskositeten. De optimale utskriftstemperatur av de to materialene kan variere.
    3. Multi-materiale produksjon
      1. Produsere multi-materiale komponenter av vekslende med to eller tre forskjellige lag, f.eks., 1 mm rustfritt stål / 1 mm zirconia / 1 mm rustfritt stål eller 1 mm zirconia / 1 mm rustfritt stål / 1 mm zirconia.
        Merk: I multi-komponent utskrift, kan det være veldig nyttig å bruke en "prime søyle" for skarp og presis materiale overganger. Når du endrer hodet, er noen millimeter filament nødvendig til materialet fylles brukte munnstykket til ekstrudert, fører til hull. Derfor er utseendet på delen ikke så god som det kunne være. For å unngå dette problemet, kan du skrive ut "prime pilar» ved siden av delen, dette kan angis i programmet. Et lag med førsteklasses pilaren (rektangulær tårnet, Figur 3) vil bli skrevet ut først når du endrer munnstykket, slik at munnstykket er primet og klar til å skrive ut før du fortsetter med del lagene.
    4. Optimalisering av produksjon
      1. Bruk en "sive-shield" hvis nødvendig; Dette er en trykt tynn vegg rundt komponenten (Figur 4). Etter skrivehodet endres for andre komponenten utenfor delen, har munnstykket krysse denne veggen når den beveger seg fra tårnet. Alle overholde materiale vil bli skrellet av fra dysen med dette skjoldet og presisjonen for materiale avsetning på delen som skrives kan økes.
        Merk: Ytterligere optimaliseringer angående oppnåelig kvaliteten er mulig ved finere justeringer av flyten, ekstrudering bredden og ekstrudering multiplikatoren, forutsatt at diameteren på filament er konstant.

Figure 3
Figur 3 : Produksjonsprosess for metall keramisk komponent med tårnet struktur. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 : Virkelig ut av en komponent med omkringliggende ooze-skjerme. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

4. debinding og sintring komponenter

  1. Utføre debinding i to sammenhengende trinn. Først utføre løsemiddel utvinning og deretter termalbehandling oppløse gjenværende dokumentordner komponentene.
    1. Utføre løsemiddelekstraksjon med trykt grønn deler med cyclohexane på 60 ° C. Dekker prøvene med nok cyclohexane og behandle dem for 8 h. vurdere brann sikkerhetsaspekter når du utfører dette trinnet. Et løselig dokumentordner innhold på ca 7-9 wt. % vil bli fjernet her.
      Merk: Bruk en løsemiddelekstraksjon fører til redusert oppblåsthet effekter under påfølgende thermaldebinding.
    2. Utføre termisk debinding i en debinding ovn i en argon atmosfære for å beskytte materialet fra reduksjon (skjedde under nitrogen atmosfære) eller oksidering. Bruk maksimum temperatur på 440 ° C og ulike oppvarming priser mellom 5 ° C/t og 150 ° C/t.
      1. Å karakterisere eller optimalisere debinding virkemåten til både feedstocks, bruk en thermogravimetric analyse under nitrogen flyter opp til 600 ° C å vurdere riktig oppvarming priser.
  2. Utføre sintring i et reduserer 80% argon og 20% hydrogen i en høy temperatur tungsten ovn. Bruke oppvarming priser mellom 3 ° C/min og 5 ° C/min for å nå maksimum temperatur på 1,365 ° C. Etter en holdetiden 3 h, kule ovn til romtemperatur.

Representative Results

Best passer resultater for rustfritt stål sintring atferd ble innhentet med en slitasje fresing 180 minutter og en planetarisk ballen mill (PBM) fresing på 240 minutter. Figur 5 viser en SEM-bilde av ubehandlet pulver (venstre), deformert partikler etter slitasje fresing (midten) og hakket partikler etter PBM fresing trinn (høyre).

Figure 5
Figur 5 : Ubehandlet rustfritt stål < 38 µm (D90) (til venstre), rustfritt stål pulver etter slitasje fresing (midten) og rustfritt stål pulver etter PBM fresing (høyre) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Sintring virkemåten av første og valset stål pulver sammenlignes med sintring atferd av zirconia pulver i figur 6, alle målt med et optisk dilatometer.

Figure 6
Figur 6 : Dilatometric kurver zirconia pulver (TZ-3Y-SE) og rustfritt stål pulver (17-4PH) i den opprinnelige tilstanden og etter en digitale fresing behandling av rustfritt stål pulver. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Forbedring av råstoff mekaniske egenskaper i høy skjær sammensatte trinnet ble preget for zirconia råstoff. Råstoff produsert i ett sammensatte trinn til 75 min i en berg rotorer blandebatteri (RM) ble sammenlignet med den produsert av metoden beskrevet i protokollen. Filamenter var ekstrudert en høytrykk kapillært rheometer med en dør av 1.75 mm diameter, en stempelet hastighet på 1 mm/s og en temperatur på 190 ° C. Filamenter ble samlet med et transportbånd og testet med en universell strekk prøvingen apparat. Minst 5 gjentakelser ble utført per materiale. Figur 7 viser en sammenligning av både materiale om den ultimate strekkfasthet (UTS) og forlengelse på UTS Sekant modulus.

Figure 7
Figur 7 : Påvirkning av sammensatte metoden i mekaniske egenskaper av zirconia råstoff. Råstoff ble forverret i en intern roller mikser (RM) eller i kombinasjon med en co roterende twin skrue trinn (TSE). Styrke, fleksibilitet og stivhet av filamenter produsert med en kapillært rheometer var bestemt bruker middelverdien og korrespondent standardavviket for den ultimate strekkfasthet (UTS), forlengelse UTS og Sekant modulus, henholdsvis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

I Figur 8diameter verdiene fikk under produksjonen av filamenter laget av zirconia (venstre) og rustfritt stål (høyre) feedstocks presenteres. Diameteren på den ekstrudert filament ble spilt inn i løpet av produksjonsprosessen via én-skruen ekstrudering. For zirconia filamenter, kan en god kontroll av dimensjoner oppnås med en gjennomsnittlig diameter på 1.75 mm og et standardavvik 0.02 mm. For filamenter inneholder endrede rustfritt stål pulver, ble en høyere variabilitet av gjennomsnittlig filament diameter observert. En mulig årsak til dette kan være en ikke-homogen partikkel distribusjon i råstoff fra blodplater-lignende form av metallisk partikler (figur 5). I dette tilfellet et høyere antall målepunktene ble funnet utenfor ønsket rekke 1.75 mm ± 0.05 mm og gjennomsnittlig diameter verdien var 1,74 mm med en standardvariasjon 0,03 mm. For begge typer filamenter var ovality verdiene betydelig mindre enn grensen på 0,1 mm.

Figure 8
Figur 8 : Histogrammer av filament diameter for de studerte materialene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 9 viser egnet metall og zirconia filamenter å produsere grønne sandwich strukturer med komposisjon stål-zirconia-stål (venstre) og zirconia-stål-zirconia (høyre).

Figure 9
Figur 9 : Grønne stål-zirconia-stål (venstre) og zirconia-stål-zirconia komponenter (høyre) additively produsert av FFF. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

På grunn av lignende dokumentordner systemet av både materialer er det mulig å fusjonere bestemte lag til en monolittisk sammensatt del. En større rundt formet del med skarpe overganger er vist i Figur 10.

Figure 10
Figur 10 : Struktur med skarpe overganger mellom Zirconia og rustfritt stål. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 11 viser andre grønne enkelt - og multi - anti-Material komponenter ble ytterligere behandlet. Figur 12 viser en ren zirconia eksempel til venstre, midten viser et eksempel på ren rustfritt stål, og endelig en sintered og godt sluttet stål keramisk kompositt er avbildet til høyre.

Figure 11
Figur 11 : Grønn testprøvene produsert av FFF; topp: zirconia-stål-kompositter rustfritt stål øverst, midten: rustfritt stål, bunnen: zirconia. Rutenett for 5 mm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 12
Figur 12 : Sintered zirconia utvalg (venstre), sintered rustfrie utvalg (midten), og sintret zirconia-rustfritt stål-kompositt (høyre). Alle skalaer i mm Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 13vises en typisk struktur av FFF-komponenter med crotches (eller sub perimeter) mellom to avsatt filamenter, som resulterte fra en vanlig slicing (verktøyet bane) og kontinuerlig måten materiale program.

Figure 13
Figur 13 : Typisk struktur av FFF-komponenter fra slicing og kontinuerlig materiale avsetning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Ved å heve multiplikatoren ekstrudering i kutting programvaren som fører til en høyere volum deponering, kan sub omkretsen være redusert samt ved tilpasning verktøyet stier. Likevel, på grunn av det høye innholdet av partikler i filamenter er det tydelig at deponering problemet er forskjellig fra vanlig utskrift av termoplast. Derfor er programvare endringer lukke slike defekter ønskelig.

Etter løsemiddel debinding, termisk debinding og påfølgende sintring, alle forskjellige prøvene viste ingen betydelig deformasjon eller oppblåsthet. Sintered rene zirconia og rustfritt stål FFF prøver har god geometriske stabilitet både med og uten kompresjons belastning og de spenne ikke. Det totale masse tapet var 14,8-14,9%, indikerer fullstendig debinding.

Metal keramisk prøvene viste en god makroskopisk vedheft av begge materialene. Masse tapet etter sintring av kompositter ble funnet for å være 14,1-14,4%, noe som indikerer også en full debinding. Ytterligere analyse og prosess justeringer vil følge. Elektronmikroskop karakterisering av kompositter er ment å gi innsikt i kvaliteten av sammensatt. Ønsket dannelsen av sammensatt har skjedd er som vist i figur 14.

Figure 14
Figur 14 : SEM bilde av mikrostruktur i metall keramisk grensesnittet viser materialet felles. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Resultatene viser at en lovende tilnærming til å produsere metall-keramiske kompositter ved hjelp av FFF genererer elektrisk ledende og elektriske skille egenskapene til en komponent. Videre blir gjennomføringen av keramiske deler i metallisk miljøer mulig fint materiale bånd og mulighet for av rustfritt stål. Innenfor EU ble prosjekt oppvarming enheter produsert av FFF inneholder en elektrisk ledende bane laget av rustfritt stål i et ikke-ledende ZrO2 -matrise. Figur 15 , viser sintered prøvene. Disse multi-materiale komponentene må analyseres og testet i fremtiden.

Figure 15
Figur 15 : Sintret varmeelementer laget av zirconia og rustfritt stål Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 16 Figur 17 Vis nytt skrivehode med to FFF-utskrift hoder og to T3DP-utskrift hoder som CAD-modell (Figur 16) samt implementert i FFF enheten (Figur 17). En utfordring er å kontrollere av utgang for begge systemer. For mikro dispensing enheter, er produksjon kontrollert av hyppigheten av en piezo-drevet stempel i stedet for stepper motors hastigheten for belte-stasjoner innenfor FFF-utskrift hodene. Samspillet mellom begge enhetene må testes i fremtiden.

Figure 16
Figur 16 : CAD-modellen av nytt skrivehode med to FFF-utskrift hoder og to T3DP-utskrift hoder. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 17
Figur 17 : Bilde av nytt skrivehode med to FFF-utskrift hoder og en T3DP-utskrift leder (til venstre). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Zirconia og rustfritt stål er brukt her er svært godt egnet for co sintring metall keramisk komponenter på grunn av den sammenlignbare CTE sintring temperaturen og sintring atmosfære. Sintring virkemåten til zirconia og rustfritt stål feedstocks kan justeres ved behandling av rustfritt stål pulver (figur 9) vellykket. Ved hjelp av nevnte materialer og metoder, er det mulig å produsere makroskopisk feilfrie deler av FFF for første gang. Forfatternes vet, er ingen andre sammenlignbare AM metoden kjent for å produsere slike deler unntatt T3DP19,20. En søknad om keramiske metallkomponenter vises i Figur 17, som er varmekabel med en elektrisk ledende løkker rustfritt stål i et skille zirconia matrise.

En av de største utfordringene for FFF metalliske og keramiske komponenter er den dramatiske økningen av stivhet og skjørhet av filamenter på grunn av det høye solid innholdet. Derfor var valg av riktig dokumentordner komponentene en viktig faktor for suksess for prosjektet. Dessuten, kan styrke og fleksibilitet i filamenter forbedres ved bruk av en høy skjær miksing teknikk (figur 7). Ifølge tidligere studier med svært fylt systemer28, kan denne forbedringen være forårsaket av en bedre pulver spredning og reduksjon av agglomerates29,30.

Etterforskningen og justering av byggesystemer, trekke og spole hastigheter under produksjonsprosessen filament tillatt produksjon av svært partikkel-fylt filamenter med riktig dimensjoner. Andre parametre som temperatur fordelingen i extruder samt bruk av kjøleenheter betydelig påvirket filament kvaliteten og ble valgt nøye.

Begge filamenter ble behandlet i FFF-enheten. Vedheft mellom feedstocks ble funnet for å være svært god i grønne (figur 7-9). Bare noen små ufylte volumer var synlig, som er typisk for en toppmoderne FFF prosess (figur 13). For å lukke disse kritiske volumer med termoplastisk materiale, FFF-enheten ble utstyrt med to mikro dispensering enheter kjent fra T3DP18,19,20,31,32, som tillate avsetning av enkelt dråper lukke utilstrekkelig fylt volumene, samt produksjon av mindre strukturer (figur 14 og 15).

Geometriske begrensningene i del kompleksitet eller oppløsning er sterkt avhengig av skriveroppsettet kontinuerlig materialet flyt og brukte kutting programvaren. Reglene og det resultatet del er høyst funnet for å være ligner FFF plast.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Dette prosjektet har mottatt finansiering fra EUs horisonten 2020 forskning og innovasjonsprogram under Grant avtalen ingen 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