Negative Additive Manufacturing komplex geformte Bor Karbide

Borcarbid (B₄C), mit einer Vickers Härte von ca. 38 GPa, ist bekannt als der dritte schwerste kommerziell erhältliche Material hinter Diamanten (~ 115 GPa) und kubische Bornitrid (~ 48 GPa). Diese besondere Eigenschaft, zusammen mit einer geringen Dichte (2,52 g/cm³), macht es attraktiv für Verteidigungsanwendungen wie Rüstungen¹. B₄C hat auch einen hohen Schmelzpunkt, überlegene Verschleißfestigkeit und hohe Neutron Absorption Kreuz Abschnitt^2,3,4. Nutzung dieser günstigen mechanischen Eigenschaften erfordert jedoch in der Regel B₄C bis zu einer hohen Dichte gesintert werden. Heißpressen ist eine konventionelle Methode für das Sintern B₄C bis vollständige Verdichtung. Dieses Verfahren beschränkt sich oft auf einfache Geometrien mit begrenzten Krümmung und relativ gleichmäßige Dicke. Teuer und arbeitsintensiv-Bearbeitung mit polykristallinen Diamant Werkzeuge oder Laser schneiden ist erforderlich, um feinere oder komplexere Funktionen zu präsentieren.

Alternativ können kolloidale bildende Techniken mit druckloses Sintern in der Nähe von voller Dichte Teile fertigen, die minimale bis keine Bearbeitung erfordern. Aufgrund mangelnder Druck von außen während der Konsolidierung werden Sintern Hilfsmittel normalerweise das keramische Medium zur Erhöhung der Wirksamkeit der drucklosen Sintern hinzugefügt. Kohlenstoff wird häufig als Sintern Hilfsmittel für B₄C^5,6,7verwendet. Verschiedenen Kohlenstoffquellen wie Nanopartikel Pulver oder karbonisiert Organics aus Pyrolyse, können verwendet werden. Homogene Verteilung des Kohlenstoffs Hilfe entlang der Korngrenzen Sintern ist ein wichtiger Faktor für den Erhalt der einheitlichen Sintern von B₄C. Daher Kohlenstoffgehalt und B₄C Partikelgröße sind ebenfalls wichtig und zusammenhängende Faktoren für das Sintern zu hoher Dichte⁸Teile.

Eines der vielversprechendsten kolloidalen bildenden Techniken für den Erhalt der komplex geformte keramische Bauteile ist Gelcasting. Diese Technik beinhaltet Gießen eine keramische Suspension mit einer organischen Monomer in einer Form, die in Situ polymerisiert um zu handeln als ein Gel^9,10,11. Das Gel dient als Bindemittel einen grünen Körper in der Form des Werkzeugs zu bilden, die stark genug, ohne Bruch in nachfolgenden Arbeitsgängen abgewickelt werden. Zuvor können jetzt unmöglich 3D Form Geometrien durch kostengünstige Polymer-basierte additive manufacturing (AM) Techniken wie Stereolithographie (SLA) und fused Deposition modeling (FDM)¹²hergestellt werden. Die aktuelle Verfügbarkeit von 3D-Druckern eröffnete neue Möglichkeiten für die Gestaltung von Keramik mit sehr komplexen Geometrien.

Negativen additive Manufacturing ist eine Technik, die Gelcasting mit Opfergaben 3D-gedruckten Formen verbindet. Die Komplexität des keramischen Bauteils steht in direktem Zusammenhang mit der Komplexität der Werkzeugkonstruktion. Schimmel-Entwürfe können jetzt unglaublich anspruchsvoll mit dem Aufkommen von hochauflösenden Kunststoff 3D-Drucker werden. 3D Scan-Tools können beispielsweise verwendet werden, zu erfassen eines Individuums Konturen und Formen eingearbeitet werden. Mithilfe von negativen AM können leichte Keramik Rüstungen, abgestimmt auf der individuelle Körpergröße und Form erstellt werden. Solche Design-Anpassungen können leichtere Gewicht Rüstungen mit verbesserten Mobilität für Benutzer bereitstellen.

Andere gemeinsame Keramik AM Techniken wie direkte Tinte schreiben (DIW), Selektives Lasersintern (SLS) und Binder jetten (BJ) auch in der Herstellung komplex geformter Keramikteile wirksam sind. Jedoch die meisten dieser Techniken eignen sich nur für die Herstellung von feinen porösen Strukturen und sind nicht effizient, wenn Skalierung bis zu großen Teilen, wie Rüstung Anwendungen^{13,14,15,16, 17}. Darüber hinaus sind die meisten dieser Techniken nicht machbar für hochvolumige Produktion aufgrund der hohen Kosten. Daher ist negative Uhr eine bevorzugte und relativ kostengünstige Route für Industrie-Ebene Produktion von großen Teilen.

Die B-₄C-Suspensionen für Gelcasting verwendet werden niedrige Viskosität und ein Geliermittel und Sintern Hilfe enthalten. Resorcin und Formaldehyd sind für ihre Fähigkeit zur Polykondensation Reaktionen durchlaufen gewählt, Resorcin-Formaldehyd (RF) vernetzt, die hilft, um die B-₄C-Teilchen zusammen zu binden. Traditionelle Hydrogele verwendet für Gelcasting beschränken sich auf Formen mit hohlen Kernen aufgrund der hohen inneren Schrumpfung während der Trocknung Prozess¹⁸erfahren. Da RF häufig als ein Aerogel verwendet wird, gibt es wenig bis keine Schrumpfung, die erlaubt die Verwendung von mehr kunstvoll geformte Formen. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von RF ist, dass die Gelierung Rate gesteuert werden kann, verändern den pH-Wert der Suspension (Abbildung 3). Darüber hinaus können Suspensionen mit Resorcin oder Formaldehyd in vorbereitet werden, erweiterte und separat gespeichert, bis sie bereit sind für den Guss. Am wichtigsten ist, kann die RF-Gel pyrolysiert werden um 50 wt % Kohlenstoff¹⁹hinterlassen. Diese äußerst homogene Verteilung des Kohlenstoffs kann helfen, die Verdichtung von B₄C in der Nähe von vollständig dichten beim Sintern. 15 Gew.-% der RF relativ Borcarbid wird bei der Formulierung der Suspension zur 7,5 Gew.-% Kohlenstoff nach Pyrolyse der Gussteile zu bieten.

Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist es, traditionelle Gelcasting Techniken kombiniert werden mit preiswerten 3D Druckfunktionen und eine einzigartige Geliermittel in der Nähe von voller Dichte Borcarbid Teile mit sehr komplexen Geometrien zu erhalten. Neben Keramik kann negative AM auf andere Materialfeldern erstelle ich völlig neue Geometrien-Multimaterial Systeme angewendet werden. Die hier beschriebene Methode baut auf der Arbeit, die in Lu Et al. ⁸ und zielt darauf ab, ein ausführlicheres Protokoll für die Ergebnisse zu reproduzieren.