مكونات مادية متعددة المستندة إلى الخزف – المضافة في تصنيع مكونات الزركونيا اللونين الأبيض والأسود بلدن 3D-الطباعة (سيرام-T3DP)
Summary
هنا يمكننا وصف بروتوكول ثنائيو تصنيع مكونات الزركونيا اللونين الأبيض والأسود بلدن 3D-الطباعة (سيرام-T3DP) وشارك تلبد خالية من العيوب.
Abstract
للجمع بين الفوائد من مضافات التصنيع (ص) مع الفوائد من الناحية الوظيفية تصنيف المواد (ختان الإناث) للمكونات المستندة إلى السيراميك د 4 (ثلاثة أبعاد للهندسة ودرجة واحدة من الحرية فيما يتعلق بالخصائص المادية في كل موضع) وقد وضعت الحرارة 3D-الطباعة (سيرام-T3DP). هي تقنية صباحا مباشرة مما يسمح صباحا مكونات مادية متعددة. لإظهار مزايا هذه المكونات الزركونيا اللونين الأبيض والأسود التكنولوجيا كانت ثنائيو المصنعة وشارك متكلس خالية من العيوب.
اثنين من أزواج مختلفة من البارود الأسود والأبيض الزركونيا استخدمت لتحضير المعلقات اللدائن المختلفة. المعلمات المناسبة الاستغناء عن التحقيق لتصنيع مكونات اختبار واحد-المواد وتعديلها لتصنيع مكونات الزركونيا متعدد الألوان المضافة.
Introduction
وظيفيا، تصنيف المواد (ختان الإناث) هي المواد مع مجموعة متنوعة من الخصائص المتعلقة بالتحولات في بنية دقيقة أو في المواد1. يمكن أن تكون هذه التحولات متقطعة أو مستمرة. أنواع مختلفة من تشويه الأعضاء التناسلية الأنثوية معروفة، مثل المكونات مع التدرجات المادية، مسامية متدرجة، فضلا عن مكونات متعددة الألوان.
ختان الإناث-مكونات يمكن صنعها بمفرده التقليدية تشكيل التكنولوجيات2،3،4،5،،من67 أو بالجمع بين هذه التكنولوجيات، سبيل المثال، بوضع العلامات بالعفن كمزيج من الشريط صب وحقن صب8،9.
تصنيع المواد المضافة (ص) يسمح لإنتاج المكونات مع حرية تصميم لم يسبق له مثيل حتى الآن. وهذا يعتبر في حالة فن تشكيل التكنولوجيا للبوليمرات والمعادن. أول العمليات التجارية لتجهيز السيراميك المتاحة10، وتستخدم ما يقرب من جميع التكنولوجيات المعروفة صباحا للساعة سيراميك في المختبرات في جميع أنحاء العالم11،،من1213.
للجمع بين مزايا صباحا مع فوائد ختان الإناث إلى المكونات المستندة إلى السيراميك د 4 (ثلاثة أبعاد للهندسة ودرجة واحدة من الحرية فيما يتعلق بالخصائص المادية في كل موضع) الطباعة 3D اللدائن (سيرام-T3DP) قد وضعت في فراونهوفر إيكتس في درسدن بألمانيا، كتكنولوجيا صباحا مباشرة. وهذا ما يسمح صباحا من مكونات مادية متعددة14،15،،من1617. ويستند سيرام-T3DP انتقائية ترسب قطرات واحدة من المعلقات الحرارية الجسيمات شغلها. باستخدام أنظمة الجرعات متعددة، يمكن أن تودع المعلقات اللدائن المختلفة بجانب بعضها البعض طبقة بطبقة لإنتاج معظم المواد فضلا عن التدرجات الممتلكات داخل المكونات الخضراء المصنعة ثنائيو18. على عكس العمليات صباحا غير المباشرة، التي سبق المواد المودعة يصلب بشكل انتقائي على الطبقة بأكملها، سيرام-عملية T3DP لا يتطلب بذل جهد إضافي لإزالة أي مواد غير وطدت قبل ترسب المواد التالية، مما يجعلها أكثر ملاءمة صباحا مكونات مادية متعددة.
على الرغم من أن استخدام سيرام-T3DP عملية يسمح صباحا لتشويه الأعضاء التناسلية الأنثوية، وتحقيق المكونات المستندة إلى الخزف مع خصائص لم يسبق لها مثيل، وهناك تحديات ينبغي التغلب عليها فيما يتعلق بالمعالجة الحرارية اللازمة بعد العملية صباحا، بغية الحصول على مركب مادية متعددة. على وجه الخصوص، مساحيق المزدوجة في المواد المركبة التي تحتاج إلى يمكن بنجاح المشترك متكلس، الذي تلبد المكونات قد يكون أداؤها في نفس درجة الحرارة والجو. ولذلك، شرط أساسي لجميع المواد بدرجة حرارة تلبد قابلة للمقارنة والسلوك (ابتداء من درجة حرارة تلبد، تقلص السلوك). بغية تفادي الإجهاد الميكانيكي الحرجة أثناء التبريد، معامل التمدد الحراري لجميع المواد يجب أن يكون تقريبا تساوي11.
مزيج مواد ذات خصائص مختلفة في عنصر واحد يفتح الباب لمكونات بخصائص لم يسبق لها مثيل لتطبيقات متعددة. مثلاً الفولاذ المقاوم للصدأ-زركونيا المركبة يمكن استخدامها كأدوات القطع ومكونات مقاومة للبلى، والطاقة، ومكونات خلية الوقود أو الأدوات الجراحية ثنائية القطب19،،من2021،22، ،من 2324. هذه المكونات يمكن أن يتحقق سيرام-T3DP14،15،،من1617، أيضا، بعد تعديل سلوك تلبد ب عملية طحن خاصة16.
تشويه الأعضاء التناسلية الأنثوية على أساس السيراميك مع مسامية متدرجة مثل الزركونيا الكثيفة والتي يسهل اختراقها تجمع بين خصائص ميكانيكية جيدة جداً في المناطق الكثيفة مع ارتفاع سطح نشطة من المناطق المليئة بالثغرات. مثل مكونات يمكن تصنيعها ثنائيو قبل سيرام-T3DP18.
في هذه الورقة، ونحن التحقيق صباحا مكونات الزركونيا مع اثنين من الألوان المختلفة في عنصر واحد من سيرام-T3DP. اخترنا الزركونيا أبيض وأسود لهذا الجمع في أحد مكونات السيراميك مثيرة للاهتمام لتطبيقات المجوهرات. الطلب على السلع الكمالية فردية عالية جداً ولا يزال متزايداً. سوف تسمح التكنولوجيات التي تتيح صباحا المكونات المادية المتعددة المستندة إلى السيراميك بدقة عالية وخصائص سطح جيدة جداً لتلبية هذا الطلب. وتستخدم السيراميك مثل زركونيا على سبيل المثال لمشاهدة إنتاج مكونات مثل الحالات يشاهد ومبدِّل أو لعصابات بسبب الملموسات الخاصة، لمحة وصلابة وانخفاض الوزن مقارنة بالمعادن.
Protocol
Representative Results
Discussion
ضروري وصف سلوك انسيابية تعليق المنصهر في معدلات القص عالية تصل إلى 5000/s منذ تقييم الظروف داخل الجزئي المستخدمة الاستغناء عن نظم (هندسة الدائرة المكبس وفوهة سرعة المكبس) وكشف عن أن معدلات القص من 5000/s وأعلى يتم إنشاؤها في الدقيقة الاستغناء عن النظام أثناء عملية الترسيب25.
ينبغي أن يتم التحقيق في المعلمات الطباعة للمعونة مع معايرة موزع لتصنيع مكونات مادية متعددة. ونوقش تأثير المعلمات موزع على خصائص المواد في25. وكانت حدود قيمة المعلمة فقط أكبر تجريبيا. وتبين التجربة حتى الآن أن الفرق في الحبرية سلسلة الارتفاع والعرض ينبغي أن لا تتجاوز 3%. الخلافات قطرها يصل إلى 100 ميكرون ويمكن تعويض فروق ارتفاع يصل إلى 50 ميكرون معلمات عرض النبض وعامل الانصهار الحبرية (قوات الأمر الواقع) وعرض البثق (تشريح المعلمة).
من الأهمية بمكان لعملية الطباعة أن يتم ضبط مرتفعات طبقة من مواد مختلفة لبعضها البعض عن طريق تغيير المسافة بين قطرات واحدة، نظراً لأنه سيؤدي تفاوت داخل طبقة إذا القيام بمرتفعات مواد مختلفة عدم تطابق. تعرج يؤدي إلى عيوب كبيرة ومكونات الخاطئ. بتقليل المسافة بين قطرات اثنين والتداخل أكبر المرتبطة بها، يزيد العرض والارتفاع في سلسلة الحبرية نظراً لحجم قطرات واحدة ثابتة تقريبا. ويمكن ملاحظة أن يزيد عرض سلسلة الحبرية أسرع من ارتفاع سلسلة الحبرية. ليس من الضروري والممكن ربما لا يدركون تماما على شكل نصفي الكرة الأرضية كقطرات واحدة، ولكن لديك للتأكد من تحديد تركيب الاستغناء عن المعلمات أن تجانس تشكيل الحبرية مرتفع جداً لضمان متجانسة بناء المكونات.
القياس على 85 درجة مئوية يحاكي سلوك انسيابية من المعلقات في خرطوشة تغذية نظام الاستغناء عن الصغير. فوق 90 درجة مئوية، يبدأ تحلل المكونات الموثق (الشكل 7). تعليق جميع إظهار سلوك مماثل تقريبا. وكانت درجة الحرارة فوهة المستخدمة للنظام الجزئي الاستغناء عن 100 درجة مئوية. درجة حرارة هذا يعزز تشكيل الحبرية سبب اللزوجة المنخفضة الناجمة عن زيادة درجة الحرارة معلقات أثناء مرورها على فوهة. بسبب الوقت الذي يسكن قصيرة لأن الإيقاف داخل الفوهة في درجة الحرارة هذه التحلل لا يؤثر على سلوك مادي إلى حد كبير.
يمكن متكلس مكونات متعددة الألوان تقريبا خالية من العيوب، ولكن لمساحيق الزركونيا أسود-2 والزركونيا أبيض-2 لون المرحلة البيضاء تحولت إلى اللون الوردي. السبب لتغيير اللون عمليات الانتشار بين مواد مختلفة خلال تلبد. هذا هو فقط تأثير على السطح، ويمكن إزالته بخطوة طحن. ولكن هذا صعبة للغاية للهياكل المعقدة التي قدمتها التكنولوجيات صباحا.
ضمن مكونات متعددة الألوان المتقدمة واجهات الحدود مستو ومتشابكة بين تركيبات مختلفة اثنين. وهكذا، بغض النظر عن ترسب المواد قطره زمنياً، ترتيب المجهرية المختلفة يمكن أن تتحقق بدقة. وعلاوة على ذلك، يمكن استغلال الشكل الحبرية زيادة التفاعل الحدود بين اثنين من المواد. وحتى الآن أنتجت التحولات المادية المنفصلة فقط. البحث في المستقبل قد ينطوي أيضا على إنتاج تغييرات تدريجية بين المواد.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا المشروع قد تلقي تمويلاً من أفق 2020 البحث في الاتحاد الأوروبي وبرنامج الابتكار ضمن اتفاق المنحة رقم 678503.
Materials
| Material | |||
| Zirconia black – 1 | TZ-3Y-Black | Tosoh | |
| Zirconia black – 2 | ZirPro ColorYZ Black | Saint Gobain | |
| Zirconia white – 1 | TZ-3Y-Black | Tosoh | |
| Zirconia white – 2 | ZirPro ColorYZ Arctic White | Saint Gobain | |
| Equipment | |||
| laser diffractometer | Mastersizer 2000 | Malvern Instruments Ltd., United Kingdom | |
| dissolver | DISPERMAT CA 20-C | VMA-Getzmann GmbH, Germany | |
| rheometer | Modular Compact Rheometer MCR 302 | Anton Paar, Graz, Austria | |
| micro dispensing system | MDS 3250 | Vermes, Germany | |
| T3DP-device | IKTS-T3DP-device "TRUDE", in-house development | Fraunhofer IKTS, not commerzialized | |
| profile scanner | LJ-V7020 | Keyence | |
| Slicer 1 | Slic3r | open source software | |
| Slicer 2 | Simplify3D | Simplofy3D | |
| debinding furnace | NA120/45 | Nabertherm, Germany | |
| sintering furnace | LH 15/12 | Nabertherm, Germany | |
| FESEM | Gemini 982 | Zeiss, Germany |
References
- Kieback, B., Neubrand, A., Riedel, H. Processing techniques for functionally graded materials. Materials Science and Engineering – A. 362 (1-2), 81-106 (2003).
- Mortensen, A., Suresh, S. Functionally graded metals and metal-ceramic composites: Part 1 Processing. International Materials Reviews. 40 (6), 239-265 (1995).
- Moya, J. S., Sánchez-Herencia, A. J., Requena, J., Moreno, R. Functionally gradient ceramics by sequential slip casting. Materials Letters. 14 (5), 333-335 (1992).
- Moya, J. S., Sánchez-Herencia, J. A., Bartolomé, J. F., Tanimoto, T. Elastic modulus in rigid Al2O3/ZrO2 ceramic laminates. Scripta Materialia. 37 (7), 1095-1103 (1997).
- Zschippang, E., Mannschatz, A., Klemm, H., Moritz, T., Martin, H. -. P. Charakterisierung und Verarbeitung von Si3N4-SiC-MoSi2-Kompositen für Heizleiteranwendungen. Keramische Zeitschrift. 65 (5), 294-297 (2013).
- Scheithauer, U., Haderk, K., Richter, H. -. J., Petasch, U., Michaelis, A. Influence of the kind and amount of pore forming agents on the thermal shock behaviour of carbon-free refractory components produced by multilayer technology. refractories WORLDFORUM. 4 (1), 130-136 (2011).
- Scheithauer, U., Schwarzer, E., Slawik, T., Richter, H. -. J., Moritz, T., Michaelis, A. Functionally Graded Materials Made by Water-Based Multilayer Technology. Refractories Worldforum. 8 (2), 95-101 (2016).
- Mannschatz, A., Härtel, A., Müller-Köhn, A., Moritz, T., Michaelis, A., Wilde, M. Manufacturing of Two-colored Co-sintered Zirconia Components by Inmold-labelling and 2C-Injection Molding, cfi/Ber. DKG. 91 (8), (2014).
- Moritz, T., Scheithauer, U., Mannschatz, A., Ahlhelm, M., Abel, J., Schwarzer, E., Pohl, M., Müller-Köhn, A. Material- and process hybridization for multifunctional ceramic and glass components. Ceramic Applications. 5 (2), 66-71 (2017).
- Homa, J. Rapid Prototyping of high-performance ceramics opens new opportunities for the CIM industry. Powder Injection Moulding International. 6 (3), 65-68 (2012).
- Chartier, T., Badev, A. Rapid Prototyping of Ceramics. Handbook of Advanced Ceramics Elsevier. , (2013).
- Travitzky, N., et al. Additive Manufacturing of ceramic-based materials. Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).
- 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).
- Scheithauer, U., Schwarzer, E., Richter, H. J., Moritz, T. Thermoplastic 3D Printing – An Additive Manufacturing Method for Producing Dense Ceramics. JACT. 12 (1), 26-31 (2014).
- Scheithauer, U., Bergner, A., Schwarzer, E., Richter, H. -. J., Moritz, T. Studies on thermoplastic 3D printing of steel-zirconia composites. J Mat Res. 29 (17), 1931-1940 (1931).
- Scheithauer, U., Slawik, T., Schwarzer, E., Richter, H. -. J., Moritz, T., Michaelis, A. Additive Manufacturing of Metal-Ceramic-Composites by Thermoplastic 3D-Printing. J. Ceram. Sci. Tech. 06 (02), 125-132 (2015).
- Scheithauer, U., Schwarzer, E., Haertel, A., Richter, H. J., Moritz, T., Michaelis, A. Processing of thermoplastic suspensions for Additive Manufacturing of Ceramic- and Metal-Ceramic-Composites by Thermoplastic 3D-Printing (T3DP), 11th International Conference on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications. Ceramic Transactions. 256, (2016).
- Scheithauer, U., Weingarten, S., Johne, R., Schwarzer, E., Abel, J., Richter, H., Moritz, T., Michaelis, A. Ceramic-Based 4D-Components: Additive Manufacturing (AM) of Ceramic-Based Functionally Graded Materials (FGM) by Thermoplastic 3D-Printing (T3DP). Preprints. , 2017100057 (2017).
- Lee, H. C., Potapova, Y., Lee, D. A core-shell structured, metal-ceramic composite supported Ru catalyst for methane steam reforming. J of Power Sources. 216, 256-260 (2012).
- Molin, S., Tolczyk, M., Gazda, M., Jasinski, P. Stainless steel/yttria stabilized zirconia composite supported solid oxide fuel cell. J. Fuel Cell Sci. Technol. 8, 1-5 (2011).
- Roberts, H. W., Berzins, D. W., Moore, B. K., Charlton, D. G. Metal-Ceramic Alloys in Dentistry: A Review. Journal of Prosthodontics. 18 (2), 188-194 (2009).
- Largiller, G., Bouvard, D., Carry, C. P., Gabriel, A., Müller, J., Staab, C. Deformation and cracking during sintering of bimaterial components processed from ceramic and metal powder mixes. Part I: Experimental investigation. Mechanics of Materials. 53, 123-131 (2012).
- Meulenberg, W. A., Mertens, J., Bram, M., Buchkremer, H. -. P., Stöver, D. Graded porous TiO2 membranes for micro-filtration. Journal European Ceramic Society. 26, 449-454 (2006).
- Baumann, A., Moritz, T., Lenk, R. Multi component powder injection moulding of metal-ceramic-composites. Proceedings of the Euro International Powder Metallurgy Congress and Exhibition. , (2009).
- Scheithauer, U., Johne, R., Weingarten, S., Schwarzer, E., Abel, J., Richter, H., Moritz, T., Michaelis, A. Investigation of Droplet Deposition for Suspensions Usable for Thermoplastic 3D Printing (T3DP). Journal of Materials Engineering and Performance. , (2017).
