Verschmolzen Filament Herstellung (FFF) von Metall-Keramik-Komponenten

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Summary

Diese Studie zeigt-Multimaterial additive Fertigung (bin) mit verschmolzen Filament Fertigung (FFF) aus Edelstahl und Zirkonia.

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Abel, J., Scheithauer, U., Janics, T., Hampel, S., Cano, S., Müller-Köhn, A., Günther, A., Kukla, C., Moritz, T. Fused Filament Fabrication (FFF) of Metal-Ceramic Components. J. Vis. Exp. (143), e57693, doi:10.3791/57693 (2019).

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Abstract

Technische Keramik sind für Anwendungen in Industrie und Forschung sowie für Konsumgüter verbreitet. Heute steigt die Nachfrage für komplexe Geometrien mit vielfältigen Anpassungsmöglichkeiten und günstigen Produktionsverfahren kontinuierlich. Mit geschmolzenen Filament-Fabrikation (FFF) ist es möglich, große und komplexe Bauteile schnell mit hohe Materialeffizienz zu produzieren. In FFF ist eine kontinuierliche thermoplastischen Filament in eine beheizte Düse geschmolzen und unten hinterlegt. Der computergesteuerte Druckkopf bewegt sich um die gewünschte Form Schicht für Schicht aufzubauen. Untersuchungen in Bezug auf Druck von Metallen oder Keramiken steigen mehr und mehr in Forschung und Industrie. Diese Studie konzentriert sich auf additive Manufacturing (AM) mit einer-Multimaterial Annäherung an eine Metall (Edelstahl) mit einer technischen Keramik kombinieren (Zirkonoxid: ZrO2). Kombination dieser Materialien bietet eine Vielzahl von Anwendungen aufgrund ihrer verschiedenen elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Das Papier zeigt die wichtigsten Fragen in der Vorbereitung von Material und Rohstoffe, Geräteentwicklung und Drucken dieser Verbundwerkstoffe.

Introduction

Nach ISO/ASTM ist Additive manufacturing (AM) der Oberbegriff für Technologien, die physische Objekte basierend auf einer geometrischen Darstellung von aufeinander folgenden Zusatz von Material1erstellen. Daher bieten diese Technologien die Möglichkeit der Herstellung von Bauteilen mit extrem komplexer Geometrie, die durch eine andere Gestaltung Technik bekannt, die Autoren nicht erreicht werden kann.

Keramische Werkstoffe sind seit der frühen Entwicklung der Technologien im letzten Viertel Jahrhundert2,3AM untersucht worden; additiver Fertigung keramischer Bauteile ist jedoch nicht Stand der Technik im Gegensatz zum additiven Fertigung aus Kunststoff oder Metall Komponenten. Verschiedene Übersichten über die Uhr Technologien für keramische Komponenten verwendet werden von Chartier Et Al. gegeben. 4, Travitzky Et al. 5 und Zocca Et al. 6, die nach dem Stand des Materials, das verwendet wird - Pulverwerkstoffe, Flüssigkeiten und Feststoffe4,5 oder nach der Art der materiellen Ablagerung und Erstarrung6 eingestuft werden kann . AM Geräte zur Verfügung, mit denen die additive Herstellung von dichten und qualitativ hochwertige Keramikkomponenten mit den gewünschten Eigenschaften für die meisten Anwendungen7,8,9,10 , 11.

Produktion von keramischen Bauteilen erfordert eine komplexe Verarbeitung, und dies hat Fortschritte in der Uhr Keramik ins Stocken geraten. Dennoch sind keramische Komponenten für spezielle Konsumgüter und Medizinprodukte und AM eröffnet neue Horizonte für die Herstellung von neuartigen Komponenten mit "unmöglich" Geometrien12unverzichtbar. Für technische Keramikkomponenten, ist eine thermische Nachbehandlung der gefertigten Komponenten erforderlich seit der AM gestalten von Keramik erfordert den Einsatz von Pulver in der organischen Bindemitteln, die entfernt werden müssen (i.e., Entbinderungsprozess) vor der Pulver ist verschmolzen (d.h., Sintern).

Das AM- Multimaterial oder Multi-funktionale Komponenten vereint die Vorteile von am- und funktional benotet Materialien (FGM)13 in Keramik-basierten 4D-Komponenten14. Material-Hybriden ermöglichen Eigenschaft Kombinationen wie elektrisch leitfähige/Isolierung, magnetische/nicht-magnetischen, duktile/hart oder verschiedene Färbungen. Hybridbauteile können Sensor oder Aktor von MEMS (Mikro-elektromechanische Systeme)15 sowie bekannte Funktionen aufweisen. Darüber hinaus können Metall/Keramik-Verbundwerkstoffe ergänzen keramische Bauteile in Maschinen beitreten, da konventionelle schweißbaren Stahl Partner verwendet werden können.

Das europäische Projekt CerAMfacturing (EU-Projekt CORDIS 678503) ist die Entwicklung AM Technologien für die einzelnen Materialkomponenten sowie einen völlig neuen Ansatz für MW-Multimaterial Komponenten, die Serienproduktion ermöglichen individuelle und multifunktionale Komponenten für verschiedene Anwendungen12. Drei verschiedene Aussetzung-basierte AM Techniken sind qualifiziert, AM Keramik sowie Metall-Keramik-Komponenten zu ermöglichen. Die Nutzung der Aussetzung-basierte AM Techniken verspricht verbesserte Komponentenleistung im Vergleich zu Pulver-basierten Methoden. Da die Kornverteilung des Pulvers in einer Suspension homogener und kompakter als in einem Pulverbett ist, ergeben diese Gestaltung Methoden höhere grünen dichten, die Sinterformteile mit dichten Mikrostrukturen und geringe Oberflächenrauhigkeit führen Level12.

Zusammen mit Lithographie-basierten Keramik Herstellung (LCM)7,8,9,10,11,16,17, verschmolzen Filament Fertigung (FFF) und thermoplastische 3D-Druck (T3DP)12,14,-18 entwickelt. FFF und T3DP eignen sich eher für die Uhr-Multimaterial Komponenten als LCM wegen der selektive Abscheidung und Erstarrung von bestimmten Material anstelle von reinen selektiven Erstarrung von Material abgelagert über die gesamte Schicht14 .

Ein weiterer Vorteil der FFF und T3DP im Vergleich zu LCM ist der Einsatz von thermoplastischen Bindemittel anstelle von Foto-härtenden Polymeren. Das Bindemittelsystem ermöglicht die Verarbeitung von Pulvern, die unabhängig von ihrer optischen Eigenschaften wie Absorption, Emission und Reflexion von elektromagnetischen Wellen, z. B. dunklen und hellen Materialien (im sichtbaren Bereich), die für die Produktion notwendig ist von Metall-Keramik-Komponenten19,20. Darüber hinaus ist geringer Investition für die FFF-Ausrüstung erforderlich, da eine Vielzahl von Standardgeräten zur Verfügung. Diese Technik wird wirtschaftlich durch hohe Materialeffizienz und recycelbare Materialien. Schließlich lässt sich FFF sich für große Teile gehoben, da der Prozess beruht auf Achsen Druckkopf weitergehen.

Dieser Beitrag stellt die ersten Ergebnisse der Herstellung von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe mit FFF. Darüber hinaus präsentiert die technische Kombination von FFF und T3DP Einheiten, obwohl es noch in der Entwicklungsphase ist. FFF dabei sind Filamente von thermoplastischen Polymeren geschmolzen und selektiv durch die Wirkung der beiden Zähler rotierenden Elementen extrudiert. Sobald das Material durch die Düse extrudiert wird, erstarrt es durch Abkühlung, ermöglichen die Produktion von Komponenten schichtweise. Um endgültige keramischen und metallischen Komponenten zu produzieren, wurde eine Variante des Prozesses entwickelten21,22,23,24,25,26. Die Polymeren Verbindungen, bekannt als Bindemittel, sind hoch mit einem keramischen oder metallischen Pulver gefüllt. Sobald die Gestaltung der Bauteile mit dem konventionellen FFF-Ansatz durchgeführt wurde, sind zwei zusätzliche Schritte erforderlich. Erstens müssen die Polymeren Komponenten komplett aus den Proben im Entbinderungsprozess Stadium, erzeugen eine Struktur mit zahlreichen Kleinstunternehmen Poren entfernt werden. Um die Endeigenschaften zu erreichen, sind die Puderdosen anschließend bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Materials gesintert. Mithilfe dieses Ansatzes, der Herstellung von Materialien wie Siliziumnitrid, Quarzglas, Piezokeramik, Edelstählen, Wolfram-Karbid-Kobalt, Aluminiumoxid oder Titandioxid-23,24,25 an anderer Stelle worden erfolgreich durchgeführt.

Die Verwendung von hoch gefüllten Polymeren Filamente und das Merkmal des Prozesses Auflagen bestimmte in den Materialien21. Gute Verträglichkeit muss zwischen den thermoplastischen Bindemittelkomponenten und das Pulver, das homogen verteilt werden muss, mit Compoundierung Techniken bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt der organischen Bindemittel-Komponenten, wie z.B. Kneten zur Verfügung gestellt werden oder Rollen zu scheren. Da der feste Faden hat, wie ein Kolben in den Druckkopf schieben Sie das geschmolzene Material handeln, müssen eine hohe Steifigkeit und eine niedrige Viskosität die Extrusion des Materials durch die Düse mit einem typischen Durchmesser von 0,3 bis 1,0 mm ermöglichen. Unterdessen muss das Material besitzen genügend Flexibilität und Stärke als ein Filament geformt werden, die gespoolt werden können. Verschiedene Mehrkomponenten Binder Systeme wurden entwickelt um diese Eigenschaften zu kombinieren mit einer hohen Belastung des Pulvers,21,22,26.

Neben dem Einsatz von angemessenen Bindemittel Formulierung ist ein neues Antriebssystem in diesem Werk beschäftigt. Allgemein, verzahnte Antriebsräder werden verwendet, um den Faden durch die Düse zu schieben. Diese Zähne beschädigen das spröde Filament. Zur Verringerung der mechanischen Anforderungen der Filamente und den Extrusion Druck während des FFF-Prozesses zu erhöhen, wurde das konventionelle FFF System verzahnte Antriebsräder durch eine spezielle dual Bandsystem ersetzt. Hohe Reibung und Führung entsteht aufgrund der Länge, die Form und die spezielle Gummierung der Riemen. Die wichtigste Frage war Knickung des Fadens durch den Druckkopf zu verhindern. Der Faden muss bis hin zur Düse geleitet werden, kein freier Speicherplatz ist erlaubt und die notwendigen Übergänge zwischen den Komponenten müssen berücksichtigt werden.

Nach dem Verlassen der Vorschubeinheit, betritt das Filament Düse-Einheit. Die Hauptziele waren gestaltete Temperaturmanagement und lückenlose Führung. Die entwickelten Druckkopf ist in Abbildung 1dargestellt.

Figure 1
Abbildung 1 : CAD-Modell des neuen Gürtel Antriebseinheit (oben) und Bild von der realen Lohnstückkosten (unten). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Eine weitere große Herausforderung angegangen werden, für die Herstellung von Metall-Keramik-Komponenten ist die Auswahl von Pulvern, die während der thermischen Behandlung (vergleichbare Koeffizient der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), Temperaturregime und Atmosphäre) Co Verarbeitung ermöglichen und vor allem die Anpassung der Schrumpfverhalten beider Werkstoffe beim Sintern Schritt. In diesem Werk Versuch besteht aus Zirkonoxid kombinieren und Edelstahl 17-4PH geändert, da sie einen vergleichbaren CTE (ca. 11 x 10-6/k) und können zu den gleichen Konditionen gesintert (Verringerung der Wasserstoffatmosphäre, Sintern Temperatur: 1350-1400 ° C). Für die Anpassung der Schrumpfverhalten, ist jedoch eine spezielle Verfahren für das metallische Pulver benötigt19,20.

Protocol

(1) verwendeten Materialien

  1. Auswahl der Bindemittelkomponenten
    1. Wählen Sie das Bindemittelsystem nach den Kriterien von hochgefüllten Compounds (Pulveranteil von ca. 50 Vol.-%) für FFF definiert: hohe mechanische Festigkeit, genügend Steifigkeit, geringe Viskosität und Flexibilität für Spoolen. Eine drastische Reduzierung der Flexibilität und der Erhöhung der Viskosität können durch eine hohe feste laden erwartet werden.
      Hinweis: In dieser Studie wurde ein Mehrkomponenten Bindemittelsystem eingesetzt. Die Mehrheit der Komponenten bestand aus einem thermoplastischen Elastomer, Flexibilität und Stärke zu verbessern. Ein funktionalisierten Polyolefin war als Backbone zur Verbesserung der Haftung mit dem Pulver enthalten. Zu guter Letzt wurde Stearinsäure (ca. 5 Vol. %) als ein Tensid für gute Dispersion der Pulver enthalten. Aus Gründen der Vertraulichkeit kann nicht mehr Informationen offengelegt werden.
  2. Auswahl von Pulvern
    1. Wählen Sie eine geeignete Pulver-paar für den Multi-material-Ansatz. Wählen Sie für Ko Verarbeitung von Keramik und einem Metallpulver Materialien mit dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) und die gleichen Schrumpfverhalten beim Sintern in der gleichen Sintern Atmosphäre.
    2. Wählen Sie die spezifische Keramik. Wählen Sie vierkantig Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid due die CTE und Sintertemperatur vergleichbar zu speziellen Edelstählen sowie die hohe Zähigkeit und Biegefestigkeit des keramischen Materials. Verwenden Sie Zirkonia Pulver mit einer spezifischen Oberfläche von 7 ± 2 m2/g und eine Korngröße von d50 = 0,5 µm.
    3. Wählen Sie die spezifische Metall. Benutzen Sie Edelstahl-Puder, als leitende und duktile metallischen Werkstoffs. Das Material muss eine vergleichbare CTE und eine ähnliche Reihe von Sintern Temperaturen mit denen von Zirkonoxid unter einer schützenden Wasserstoffatmosphäre.
  3. Anpassung der Sinterung Verhalten
    1. Um zu erreichen, eine stressfreie Co Sintern, passen Sie der Temperatur abhängigen Belastung Verhalten (Schrumpfung durch Sintern und thermische Expansion) für beide Pulver an. Da das Zirkonoxid-Pulver verwendet hohe Oberflächenenergie durch die feinen Partikel hat, ändern Sie die Edelstahl-Pulver durch Verfeinerung der vergleichsweise großen Metallpartikel und die Erhöhung der Versetzungsdichte durch Verformung der Atomgitter.
      Hinweis: Zunächst sind beim Abrieb Fräsen Stahl sphärische Partikel neu geformten zu dünn und spröde Flocken mit einer extrem hohen Versetzungsdichte. Zweitens werden die spröde Flocken während die hochenergetische Frässchrittes (planetarische Kugel Fräsen, PBM), in sehr feinkörnige Partikel mit einer erhöhten Sintern Fähigkeit gebrochen werden. Auf diese Weise Sintern Überaktivität des metallischen Pulvers kann erreicht werden und die schrumpfende Kurve konnte die Kurve von Zirkonoxid, zeigen nur geringe Unterschiede19,20eingestellt werden.
      1. Gelten Sie Abrieb (180 min) auf die sphärische Edelstahl-Partikel, neu zu gestalten, zu dünn und spröde Flocken Fräsen.
      2. Führen Sie planetarische Kugel Fräsen (240 min) um die spröde Flocken in sehr feinkörnige Partikel mit einem verringerten Seitenverhältnis aber eine erhöhte Sintern Fähigkeit zu brechen.
  4. Die Einstellung Erfolg bewerten
    1. Verwenden Sie ein Stab oder optisches Dilatometer Schrumpfverhalten geeignet Material verdichtet messen und vergleichen die Ergebnisse. Verwenden Sie die volumetrische Pulveranteil beider Materialien zu, ist das gleiche und wenden Sie die gleiche Messung (Heizung Preise, Atmosphäre, maximale Temperatur, Verweildauer).
    2. Ist eine hohe Diskrepanz im Sinter Verhalten, passen Sie die Fräsparameter des Pulvers aus rostfreiem Stahl. Feinere Pulver führt zu einer geringeren Sinter Starttemperatur. Eine längere Zermürbungskrieg Fräsen Zeit führen zu höheren Luxation Energien und höhere Schwindung. Planetare Fräsen führt zu verspritzte Pulver, das in Polymerverbindungen anwendbar ist.
      Hinweis: Der Erfolg der Anpassung wird durch die Rohstoffe beeinflusst. Optimierung muss durchgeführt werden. Eine Verschiebung der Sinter Kurven kann das Pulver durch Fraktionierung erzeugt. Feines Pulver Brüche neigen dazu, beginnen Sintern bei niedrigeren Temperaturen.

(2) Filament-Produktion

  1. Rohstoff-Vorbereitung
    Hinweis: Für die Vorbereitung des Ausgangsmaterials Zirkonia, trocknen Sie das Pulver um seine Tendenz, Agglomerieren,27zu reduzieren. Trocknen Sie das Material bei 80 ° C in einem Vakuumofen für mindestens 1 Stunde.
    1. Pre-compound Material in einem Roller-Rotoren-Mischer für 30 Minuten bei 60 u/min.
      1. Stellen Sie sicher, dass die Temperatur hoch genug, um alle Bindemittelkomponenten schmelzen. Stellen Sie Bindemittelkomponenten und warten Sie bis zum schmelzen. Füttern Sie dem Pulver in 5 aufeinander folgenden Lasten alle 5 min.
      2. Am Ende des Prozesses extrahieren Sie das Material aus der Kammer in kleine Stücke, um Schritt 2.1.2 zu erleichtern.
        Hinweis: Für beide Materialien wurden Pulver Inhalt von 47 vol.-% innerhalb der thermoplastischen Rohstoffen realisiert.
    2. Granulat oder Granulieren das feste Material nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur.
      1. Wenn eine Schneidmühle beschäftigt ist, führen Sie die wesentlichen Teile schrittweise ein. Warten Sie, bis der Stücke innerhalb granuliert werden, um die nächste einzuführen.
      2. Verwenden Sie an der Ausfahrt der Mahlraum ein Sieb mit 4 x 4 mm kariert Perforationen Granulat von ausreichender Größe zu bekommen. Dieses Verfahren ist notwendig für eine kontinuierliche Beschickung des Twin Schraube Extruder oder Scherung Walze (Schritt 2.1.3).
    3. Verstärken Sie das Material bei hohen Scherraten verbessern die Dispersion, z. B. in einem mitrotierenden Twin Schraube Extruder (TSE) oder in eine Schere Rollen Extruder. Das Material mit einem Förderband zu sammeln und auf Zimmertemperatur abkühlen.
      Hinweis: In dieser Studie wurde ein mitrotierende Twin Schraube Extruder verwendet. Die Schraube Rotationsgeschwindigkeit wurde eingerichtet um 600 u/min und ein Temperaturprofil von 170 ° C in der Fütterung Zone bis 210 ° C in der Matrize definiert wurde.
    4. Granulat oder Granulieren das feste Material nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur. Verwenden Sie das Verfahren der 2.1.2 oder granulieren Sie das Material am Ende des Förderbandes mit einem Pelletizer. Falls erforderlich, wiederholen Sie den Vorgang, bis die Pellets eine Länge gleich oder kleiner als 4 mm haben.

Figure 2
Abbildung 2 : Filament Produktionslinie. Das Material wird auf kontrollierte Art und Weise durch die Regulierung der Extrusion Geschwindigkeit und Temperatur extrudiert. Danach ist es gesammelt und angetrieben durch ein Förderband und schleppen-weg Gerät. Die Filament-Durchmesser gemessen wird und wenn die Werte innerhalb des gewünschten Bereichs liegen, wird das Filament gespoolt. Um die Wendel-Dimensionen zu regulieren, müssen die Zugkraft und Spoolen Geschwindigkeiten schrittweise angepasst werden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. Filament-extrusion
    Hinweis: Abbildung 2 zeigt ein Schema des Herstellungsverfahrens für Filament Vorbereitung und die Variablen Parameter, die die Filament-Durchmesser an der Unterseite zu definieren. Das Filament durch ein Förderband gesammelt und von der Aktion aus zwei gegenläufig rotierenden Walzen gezogen. Die Durchmesser und Ovalität Werte werden in einem Laser-Messgerät gemessen, und die Prozessparameter werden angepasst, um die Filament-Geometrie zu regulieren. Das Material wird schließlich auf Spulen gelagert. Die Herstellung von Fasern mit einer ständigen Auswahl an Dimensionen ist entscheidend für die Reproduzierbarkeit des Prozesses, da der Volumenstrom im FFF der Glühfaden Geometrie abhängig ist.
    1. Extrudieren Sie das Material mit 30 u/min bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt der Bindemittelkomponenten. Verwenden Sie für eine gute Kontrolle über die Qualität von Druck und Filament einen Einschnecken-Extruder mit einem Düsendurchmesser von mindestens 1,75 mm.
      Hinweis: Für kleine Mengen von Material, kann eine Hochdruck-Kapillar-Rheometer in der Materialentwicklung Phase eingesetzt werden. Dennoch kann eine schlechte dreidimensionale Qualität des Fadens rechnen.
      Hinweis: Die Schritte 2.1 und 2.2.1 in einen angemessenen Twin Schraube Extrusionsvorgang kombinierbar.
    2. Das extrudierte Material zu sammeln. Verwenden Sie ein Förderband zu sammeln und das extrudierte Material abkühlen. Luft- oder Wasserkühlung Elemente kann verlangt werden, wenn hohe Extrusion Geschwindigkeiten verwenden.
    3. Messen Sie und kontrollieren Sie die Dimensionen des Fadens. Für eine bestimmte Extrusion-Geschwindigkeit schrittweise regulieren das Förderband und Geschwindigkeiten passen Sie die Maße des Fadens ziehen (das Förderband zu verringern und Geschwindigkeiten für einen höheren Durchmesser ziehen). Produzieren Sie Filamenten mit einem Durchmesserbereich von 1,70 bis 1,80 mm und Ovalität kleiner als 0,10 mm.
      Hinweis: Der Ovalität Wert ist definiert als die Differenz zwischen der maximalen und minimalen Durchmesser. Für eine perfekt runde Filament ist eine Ovalität von Null einzuholen.
    4. Spule das Material. Eine zusätzliche Spooling-Einheit (Abbildung 2) kann am Ende des Förderbandes für automatische Spoolen platziert werden.

(3) additive Herstellung von grünen Komponenten

  1. Untersuchung der optimalen Prozessparameter
    1. Vor dem Drucken, verwenden Sie aufschneiden Handelssoftware. Diese Software kann die Druckparameter einrichten und den g-Code für das Druckgerät aus einem 3D CAD-Modell generieren angewendet werden.
    2. Betrachten Sie für den Druck die folgenden wesentlichen Parameter:
    • Bett-Temperatur für Bett-Haftung
    • Druckgeschwindigkeit von verschiedenen Materialien
    • unterschiedlicher Druck Temperatur konstanter Materialfluss
    • Kontrolle der Lüfter zur Verfestigung des gedruckten Strang Unterstützung
    • Drucktemperatur für verbesserte Adhäsion zwischen den Schichten
    • Retraktion Parameter zu vermeiden, Nässen und mit Hilfe einer "Prime Säule"
    • unterschiedlichen Materialfluss zu gleichen Strang breite verschiedener Materialien zu versichern
  2. BIN der Testkomponenten
    1. AM grünen Proben mit einem kommerziellen 3D-Drucker durchführen (siehe Tabelle der Materialien). Herstellung von Einzel-Material-Test-Komponenten vor dem Drucken-Multimaterial Komponenten.
      1. Korrigieren Sie jede möglich Fehlausrichtung der Düsen in der Druckersoftware, bevor Multimaterial Produktionskomponenten.
    2. Herstellung von einzelnen Komponenten
      1. Laden Sie Druckkopf 1 mit Zirkonia Filament und Druckkopf 2 mit Edelstahl-Filament. Verwenden Sie für beide Fäden ein Druckkopf Geschwindigkeit 10 mm/s und Druckbett Temperatur von 20 ° C. Legen Sie die Druckkopf-Temperatur von Zirkonoxid auf 220 ° C und Edelstahl bis 240 ° C.
        Hinweis: Als erste Probe Geometrie Quader wurden für die einzelnen Materialien hergestellt und verschiedene Sandwich-Aufbau für die Multi-material-Komponente gewählt wurde. Alle grüne Komponenten hatte Endmaß von 15 x 15 mm und verschiedener Dicke 1-3 mm und mit einer Schichtdicke von 0,25 mm hergestellt wurden. Die Druckkopf-Temperatur kann variiert werden, um die gewünschte Fließfähigkeit der Rohstoffe zu erreichen. Erhöhung der Temperatur führt zu einer Verringerung der Viskosität. Der optimale Druck Temperaturen der beiden Materialien abweichen.
    3. -Multimaterial Herstellung
      1. -Multimaterial Komponenten durch den Wechsel mit zwei oder drei verschiedenen Schichten, z.B.Herstellung., Edelstahl 1 mm / 1 mm Zirkonia / Edelstahl 1 mm oder 1 mm Zirkonia / Edelstahl 1 mm / 1 mm Zirkonia.
        Hinweis: Mehrkomponenten-Druck, sehr hilfreich sein, eine "erstklassige Säule" für scharfe und präzise Materialübergängen verwenden kann. Beim Wechsel des Druckkopfes sind wenige Millimeter des Heizfadens nötig, bis das Material der verwendeten Düse extrudiert werden, füllt führt zu Lücken. Daher ist die Darstellung des Teils nicht so gut, wie es sein könnte. Um dieses Verhalten zu vermeiden, die "Prime Säule" neben dem Drucken, dies in der Software eingestellt werden. Eine Schicht der wichtigste Säule (rechteckiger Turm, Abbildung 3) wird zuerst gedruckt, beim Wechseln der Düse, um sicherzustellen, dass die Düse grundiert und bereit, bevor Sie fortfahren mit der Teil-Schichten zu drucken ist.
    4. Optimierung der Fertigung
      1. Verwenden Sie eine "Schlamm-Schild" bei Bedarf; Dies ist eine gedruckte dünne Mauer um die Komponente (Abbildung 4). Nachdem der Druckkopf für die zweite Komponente außerhalb des Bauteils ändert, haben Sie die Düse diese Mauer zu überqueren, wenn es vom Turm bewegt. Alle anhaftendes Material wird aus der Düse auf dieses Schild abgezogen werden und die Genauigkeit der materiellen Ablagerung auf dem Teil gedruckt werden kann erhöht werden.
        Hinweis: Weitere Optimierungen in Bezug auf die erreichbare Qualität sind möglich durch feinere Anpassungen von der Strömung, die Extrusion-Breite und der Extrusion-Multiplikator, geht man davon aus, dass der Durchmesser des Fadens konstant ist.

Figure 3
Abbildung 3 : Herstellungsverfahren für Metall-Keramik-Komponente mit Turmstruktur. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4 : Virtuelles Drucken einer Komponente mit den umliegenden Schleim-Schild. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

4. Entbinderung und Sintern von Komponenten

  1. Führen Sie in zwei aufeinanderfolgenden Schritten Entbinderung. Erstens führen Sie solvent-Extraktion und dann thermische Behandlung, die restlichen Bindemittelkomponenten zu zerlegen.
    1. Führen Sie solvent-Extraktion mit der gedruckten grünen Teile mit Cyclohexan bei 60 ° C. Decken Sie die Proben mit genügend Cyclohexan und behandeln sie für 8 h. betrachten Feuer Sicherheitsaspekte bei der Durchführung dieser Schritt. Ein löslicher Bindemittelgehalt von ca. 7-9 Gew.-% hier entfernt werden.
      Hinweis: Anwendung einer solventen-Extraktion führt zu reduziert Blähungen Effekte während der nachfolgenden Thermaldebinding.
    2. Führen Sie thermische Entbinderung in einem Entbinderungsprozess Ofen in einer Argon-Atmosphäre um die Materialien von Reduktion (geschahen unter Stickstoffatmosphäre) oder Oxidation zu schützen. Verwenden Sie eine maximale Temperatur von 440 ° C und verschiedenen Heizraten zwischen 5 ° C/h und 150 ° C/h.
      1. Zu charakterisieren oder das Entbinderungsprozess Verhalten der beiden Rohstoffe optimiert, gelten eine thermogravimetrische Analyse unter Stickstoff fließen bis zu 600 ° C, geeignete Heizraten zu bewerten.
  2. Führen Sie in einer reduzierenden Atmosphäre von 80 % Argon und 20 % Wasserstoff in einem Hochtemperatur-Wolfram-Ofen Sintern. Verwenden Sie Heizraten zwischen 3 ° C/min und 5 ° C/min, um eine maximale Temperatur von 1.365 ° c erreichen Kühlen Sie nach einer Verweildauer von 3 h den Ofen auf Raumtemperatur.

Representative Results

Die am besten passende Ergebnisse für Edelstahl Sintern Verhalten wurden mit einer Abreibung Fräsen 180 Minuten und ein Planeten-Kugelmühlen (PBM) Fräsen von 240 Minuten erzielt. Abbildung 5 zeigt ein SEM-Bild des unbehandelten Pulver (links), die deformierte Partikel nach der Abreibung Fräsen (Mitte) und die gehackten Partikel nach der PBM-Fräsen-Schritt (rechts).

Figure 5
Abbildung 5 : Unbehandelte Edelstahl < 38 µm (D90) (links), Edelstahl-Pulver nach Abrieb Fräsen (Mitte) und Edelstahl-Pulver nach PBM Fräsen (rechts) Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Das Sintern Verhalten des aus- und geschliffenem Stahl Pulvers sind im Vergleich mit dem Sintern Verhalten des Pulvers Zirkonia in Abbildung 6, alle mit einer optischen Dilatometer gemessen.

Figure 6
Abbildung 6 : Dilatometer Kurven der Zirkonia Pulver (TZ-3Y-SE) und das Edelstahl-Pulver (17-4PH) im Ausgangszustand und nach einer hochenergetischen Fräsen Behandlung des Pulvers Edelstahl. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften in die hohen Scherkräfte Mischungsherstellungsschritt Rohstoff war für die Zirkonoxid-Feedstock geprägt. Ausgangsmaterial hergestellt in einem Arbeitsgang Compoundierung von 75 min in einem Roller-Rotoren-Mischer (RM) wurde mit dem von der im Protokoll beschriebenen Methode produziert verglichen. Fäden wurden extrudiert mit einer Hochdruck-Kapillar-Rheometer mit einem Würfel von 1,75 mm Durchmesser, einer Kolbengeschwindigkeit von 1 mm/s und einer Temperatur von 190 ° C. Die Fäden wurden mit einem Förderband gesammelt und mit einer Zugfestigkeit Universalprüfmaschine getestet. Mindestens 5 Wiederholungen wurden pro Material durchgeführt. Abbildung 7 zeigt einen Vergleich der beiden Materialien bezüglich der Zugfestigkeit (UTS), die Dehnung bei UTS und der Sekante Modul.

Figure 7
Abbildung 7 : Einfluss der Compoundierung Methode der mechanischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials Zirkonia. Ausgangsmaterial war eine interne Walze Mixer (RM) oder in Kombination mit einem mitrotierenden Twin Schraube Schritt (TSE) verstärkt. Kraft, Flexibilität und Steifigkeit der Filamente mit Kapillar Rheometer produziert wurden anhand der Mittelwert und die entsprechende Standardabweichung der Zugfestigkeit (UTS), die Dehnung UTS und der Sekante Modulus, bzw.. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

In Abbildung 8die Durchmesserwerte erhalten während der Produktion der Filamente von Zirkonoxid (links) und Edelstahl (rechts) Rohstoffe werden vorgestellt. Der Durchmesser der extrudierten Wendel wurde während des Produktionsprozesses über Single-Schraube Extrusion aufgenommen. Für die Zirkonoxid-Filamente könnte eine gute Kontrolle über die Abmessungen mit einem mittleren Durchmesser von 1,75 mm und einer Standardabweichung von 0,02 mm erreicht werden. Für die Filamente mit dem modifizierten Edelstahl-Pulver wurde eine höhere Variabilität des durchschnittlichen Filament Durchmessers beobachtet. Ein möglicher Grund dafür könnte eine inhomogene Partikelgrößenverteilung innerhalb der Rohstoff aus den Thrombozyten-ähnliche Form der metallischen Partikel (Abbildung 5). In diesem Fall eine höhere Anzahl von Messpunkten fanden sich außerhalb des gewünschten Bereichs von 1,75 mm ± 0,05 mm und der mittlere Durchmesser-Wert war 1.74 mm mit einer standard-Variante von 0,03 mm. Für beide Arten von Filamenten waren die Ovalität Werte deutlich kleiner als der Grenzwert von 0,1 mm.

Figure 8
Abbildung 8 : Die Histogramme der Filament-Durchmesser für die untersuchten Materialien. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 9 zeigt die geeignet Metall und Zirkonia Filamente grün Sandwich-Strukturen mit der Zusammensetzung-Zirkonia-Stahl (links) sowie Zirkonoxid-Stahl-Zirkonia (rechts) herzustellen.

Figure 9
Abbildung 9 : Grüne Stahl-Zirkonia-Stahl (links) und Zirkonia-Stahl-Zirkonia Komponenten (rechts) Additiv von FFF. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Aufgrund der ähnlichen Bindemittelsystem beider Materialien ist es möglich, bestimmte Schichten zu einem monolithischen zusammengesetzten Teil zu verschmelzen. Eine größere Runde Formteil mit scharfen Übergängen ist in Abbildung 10dargestellt.

Figure 10
Abbildung 10 : Struktur mit scharfen Übergängen zwischen Zirkonia und Edelstahl. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 11 zeigt andere grüne Single und material Komponenten, die weiter verarbeitet wurden. Abbildung 12 zeigt ein reines Zirkonoxid-Muster auf der linken Seite die Mitte zeigt eine reine Edelstahl-Probe, und schließlich ein gesinterter und gut verbundenen Stahl-Keramik-Verbund auf der rechten Seite abgebildet ist.

Figure 11
Abbildung 11 : Grüne Proben hergestellt von FFF; oben: Zirkonia-Stahl-verbunden mit Edelstahl an der Spitze, Mitte: Edelstahl; unten: Zirkonia. Gitter box 5 mm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 12
Abbildung 12 : Zirkonia Probe (links), gesinterte Edelstahl Probe (Mitte), gesintert und gesintertes Zirkonoxid-rostfreier Stahl-Verbund (rechts). Alle Skalen in mm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

In Abbildung 13ist ein typisches Gebäude der FFF-Komponenten mit Gabelungen (oder Sub-Perimeter) zwischen zwei hinterlegten Filamente gezeigt, die aus einer gewöhnlichen slicing (Werkzeugweg) und der kontinuierliche Weg der materiellen Ablagerung geführt.

Figure 13
Abbildung 13 : Typische Struktur der FFF-Komponenten aus schneiden und kontinuierliche Material Deposition. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Durch die Erhöhung des Extrusion Multiplikators in der Schneid-Software zu einer höheren Lautstärke Ablagerung führt, kann der Sub Umfang reduzierte sowie durch die Anpassung der Werkzeugwege. Dennoch ist es aufgrund des hohen Gehaltes der Partikel in die Filamente, offensichtlich, dass die Ablagerung Verhalten unterscheidet sich von gewöhnlichen Druck von Thermoplasten. Daher empfiehlt sich eine Softwareänderung, solche Mängel zu schließen.

Nach Lösungsmittel Entbinderung, thermische Entbinderung und anschließende Sinterung, den verschiedenen Proben zeigten keine nennenswerte Verformung oder Blähungen. Die gesinterten pur Zirkonia und Edelstahl FFF-Exemplare haben eine gute geometrische Stabilität sowohl mit als auch ohne Druckbelastung und sie nicht Schnalle. Der Gesamtverlust Masse war 14,8-14,9 %, unter Angabe der vollständigen Entbinderung.

Die Metall-Keramik-Proben zeigten eine gute makroskopische Haftung beider Materialien. Der Masseverlust nach dem Sintern der Verbundwerkstoffe erwies sich 14.1-14.4 %, was auch eine vollständige Entbinderung bedeutet. Weitere Analyse und Prozess Anpassungen werden folgen. Die Elektronen-Mikroskop-Charakterisierung der Komposite soll Einblick in die Qualität des Verbundes. Die gewünschte Bildung des Verbundes hat erfolgreich, wie in Abbildung 14gezeigt stattgefunden.

Figure 14
Abbildung 14 : REM-Aufnahme der Mikrostruktur in der Metall-Keramik-Oberfläche zeigt das Material gemeinsame. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Die Ergebnisse zeigen, dass einen vielversprechenden Ansatz zur Herstellung von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe mit FFF erzeugen elektrische leitfähige und elektrische isolierende Eigenschaften in einem Bauteil. Darüber hinaus wird die Umsetzung der Keramikteile in metallischen Umgebungen möglich durch die gute materielle Bindung und Schweißbarkeit des rostfreien Stahls. Innerhalb der EU wurden Projekt Heizgeräte von FFF, eines elektrischen leitfähigen Pfads aus rostfreiem Stahl gefertigt, in einer nicht-leitenden ZrO2 Matrix hergestellt. Abbildung 15 zeigt die gesinterten Proben. Diese Multi-Materialien-Komponenten müssen analysiert und getestet in der Zukunft.

Figure 15
Abbildung 15 : Gesintert, Heizelemente, Zirkonia und rostfreiem Stahl Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 16 und Abbildung 17 zeigen die neuen Druckkopf mit zwei Köpfen der FFF-Druck und zwei T3DP-Druck-Köpfe als CAD-Modell (Abbildung 16) sowie in der FFF-Gerät (Abbildung 17) umgesetzt. Eine Herausforderung ist die Steuerung der Ausgabe für beide Systeme. Für die Micro Abgabe Einheiten wird die Ausgabe durch die Häufigkeit eines Piezo-gesteuerte Kolbens anstelle der Stepper Motoren Geschwindigkeit für Riementriebe innerhalb der FFF-Druck-Köpfe gesteuert. Das Zusammenspiel beider Geräte muss in Zukunft getestet werden.

Figure 16
Abbildung 16 : CAD-Modell des neuen Druckkopf mit zwei Köpfen der FFF-Druck und zwei T3DP-Druck-Köpfe. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 17
Abbildung 17 : Bild des neuen Druckkopf mit zwei Köpfen der FFF-Druck und eine T3DP-Druck-Kopf (links). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Discussion

Zirkonia und Edelstahl verwendet hier eignen sich sehr für die Co Sintern von Metall-Keramik-Komponenten aufgrund der vergleichbaren CTE, Sintern Temperatur und Sintern Atmosphäre. Das Sintern Verhalten der Zirkonia und die Edelstahl-Rohstoffe konnte erfolgreich bei der Behandlung von Edelstahl-Pulver (Abbildung 9) angepasst werden. Durch die Verwendung der genannten Materialien und Methoden, ist es möglich zu makroskopischen mangelfreien Teile von FFF zum ersten Mal herstellen. Die Autoren wissen ist keine andere vergleichbare AM Methode bekannt, solche Teile mit Ausnahme von T3DP19,20fertigen. Eine Anwendung für Metall-Keramik-Komponenten zeigt Abbildung 17, die ist ein Heizelement mit einer elektrische leitende geschlungene Edelstahl in einer isolierenden Zirkonia-Matrix.

Eine der großen Herausforderungen für die FFF von metallischen und keramischen Bauteilen ist die dramatische Zunahme der Steifigkeit und Sprödigkeit der Filamente durch den hohen Feststoffgehalt. Daher war die Auswahl der richtigen Bindemittelkomponenten ein Schlüsselfaktor für den Erfolg des Projekts. Darüber hinaus konnte die Stärke und Flexibilität der Filamente durch den Einsatz von einem hohen Scherkräfte Mischtechnik (Abbildung 7) verbessert werden. Nach früheren Studien mit hochgefüllte Systeme28könnte diese Verbesserung durch eine bessere Pulver Streuung und Reduzierung der Agglomerate29,30verursacht werden.

Die Untersuchung und Anpassung der Extrusion, ziehen und spooling Geschwindigkeiten während des Produktionsprozesses Filament erlaubt die Herstellung von hoch Teilchen gefüllt Filamente mit ausreichend dimensioniert. Andere Parameter wie die Temperaturverteilung innerhalb der Extruder sowie die Verwendung von Kühlgeräten erheblich beeinflusst die Filament-Qualität und wurden sorgfältig ausgewählt.

Beide Fäden wurden erfolgreich in der FFF-Gerät verarbeitet. Die Adhäsion zwischen den Ausgangsstoffen erwies sich sehr gut in der "grünen" Bereich (Abbildung 7-9). Nur einige kleinen ungefüllten Volumen waren sichtbar, die sind in der Regel für ein State-Of-The-Art FFF-Prozess (Abbildung 13). Um diese wichtigen Volumes mit thermoplastischen Materialien schließen, das FFF-Gerät verfügte über zwei Mikro Dosierer Einheiten bekannt aus T3DP18,19,20,31,32, die ermöglichen Sie die Abscheidung von einzelnen Tröpfchen, die unzureichend gefüllte Bände zu schließen sowie die Herstellung von feinen Strukturen (Abb. 14 und 15).

Geometrische Beschränkungen der Teil Komplexität oder Auflösung sind stark abhängig von der kontinuierlichen Materialfluss sowie die verwendete slicing Software Drucker-Setup. Den Design-Regeln und die daraus resultierende Bauteildarstellung befinden sich bei den meisten ähnlich mit FFF aus Kunststoff sein.

Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Dieses Projekt wird finanziell von der Europäischen Union Horizont 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm unter Grant Agreement No 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

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