在这里, 我们描述了一个协议, 用于额外制造黑色和白色氧化锆成分的热塑性3d 打印 (ceram-t3dp) 和共烧结缺陷无缺陷。
将添加剂制造 (am) 的好处与功能分级材料 (fgm) 的好处与基于陶瓷的4d 组件 (几何尺寸的三个维度和每个位置的材料属性的一个自由度) 结合起来。开发了热塑性3d 印刷 (ceram-t3dp)。它是一种直接的 am 技术, 允许多材料组件的 am。为了证明这项技术的优势, 黑白氧化锆成分是额外制造和共烧结无缺陷。
两对不同的黑色和白色氧化锆粉末被用来制备不同的热塑性悬浮液。研究了制造单材料试验元件的适当点胶参数, 并根据多色氧化锆部件的添加剂制造进行了调整。
功能分级材料 (fgm) 是一种具有各种特性的材料, 涉及微观结构或材料1中的过渡。这些转换可以是离散的, 也可以是连续的。不同种类的女性外阴残割是已知的, 如具有材料梯度的成分、分级孔隙率以及多色成分。
fgm 组件可以通过单一的常规成型技术2、3、4、5、6、7或这些技术的组合制造, 用于例如, 通过模内贴标作为胶带铸造和注塑成型的组合8,9。
添加剂制造 (am) 允许生产具有前所未有的设计自由度的组件。这被认为是最先进的聚合物和金属成型技术。第一个用于陶瓷加工的商业工艺有10个, 几乎所有已知的 am 技术都用于世界各地实验室的陶瓷 am11、12、13.
为了将 am 的好处与切割女性生殖器官的好处与基于陶瓷的4d 组件 (几何尺寸的三个维度和每个位置的材料特性的一个自由度) 结合起来, 热塑性3d 印刷 (ceram-t3dp) 已在弗劳恩霍夫 ikts 在德累斯顿, 德国, 作为一个直接的 am 技术。这允许多材料组件14、15、16、17的 am。ceram-t3dp 是基于颗粒填充热塑性悬浮液单滴的选择性沉积。通过使用多个加药系统, 不同的热塑性悬浮液可以逐层沉积在一起, 以产生散装材料以及在额外制造的绿色组件18中的性能梯度.与间接 am 工艺不同的是, 以前沉积的材料有选择地在整个层上凝固, ceram-t3dp 工艺不需要额外的努力来去除任何非固化材料, 然后再沉积下一个材料,使其更适合于多材料部件的 am。
虽然利用 ceram-t3dp 工艺可以将女性外阴残割纳入和实现具有前所未有的特性的陶瓷族组件, 但在 am 工艺后进行必要的热处理方面仍有挑战需要克服, 以便获得多材料复合材料。特别是, 复合材料中的配对粉末需要成功地共同烧结, 为此, 部件的烧结必须在相同的温度和大气下进行。因此, 所有材料都必须具有可比的烧结温度和行为 (烧结起始温度、收缩行为)。为了避免冷却过程中的临界机械应力, 所有材料的热膨胀系数必须大致相等 11.
在一个组件中, 具有不同性能的材料的组合为具有前所未有的性能的组件打开了大门, 适用于多种用途。例如, 不锈钢氧化锆复合材料可用作切削刀具、耐磨部件、能量和燃料电池组件, 也可用作双极手术工具 19、20、21、22、 23,24。这种组件也可以通过 ceram-t3dp14、15、16、17实现, 在通过特殊的铣削工艺16调整烧结行为之后。
陶瓷为基础的 fgm 具有分级孔隙率, 如致密和多孔氧化锆结合了非常好的机械性能, 在密集的地区和高活性表面的多孔地区。类似的组件可以由 ceram-t3dp18额外制造。
本文采用 ceram-t3dp 对一种成分中两种不同颜色的氧化锆组分的 am 进行了研究。我们选择白色和黑色氧化锆, 因为这种组合在一个陶瓷组件是有趣的珠宝应用。个性化奢侈品的需求非常高, 而且还在不断增长。允许基于陶瓷的多材料组件的 am 具有高分辨率和非常好的表面性能的技术将能够满足这一需求。例如, 由于与金属相比具有特殊的触觉、一目了然、硬度和较低的重量, 例如, 氧化锆等陶瓷被用来生产手表部件, 如表壳和挡板或环。
由于对使用的微点胶系统 (活塞和喷嘴室的几何形状、活塞速度) 的条件进行评估, 因此有必要对熔融悬浮液在高达5000的高剪切速率下的流变特性进行表征。结果表明, 在沉积过程25 过程中, 微点胶系统产生了 5000/和更高的剪切速率。
印刷参数的研究应有助于校准多材料部件的分配器。25个国家讨论了分配器参数对材料性能的影响。参数值边界只是在经验上被阻止。到目前为止的经验表明, 液滴链高度和宽度的方差不应超过3%。直径差异高达100微米, 高度差异高达50微米可以通过参数脉冲宽度、液滴融合系数 (dff) 和挤出宽度 (切片参数) 来补偿。
对于印刷过程来说, 通过改变单滴之间的距离来调整不同材料的层高度是至关重要的, 因为如果不同材料的高度确实如此, 就会导致层内不均匀不匹配。不均匀会导致较大的缺陷和故障的组件。通过减少两个液滴之间的距离和相关的更大的重叠, 由于单个液滴的体积几乎不变, 液滴链的宽度和高度增加。可以看出, 液滴链宽度的增加速度快于液滴链高度。没有必要, 也可能不可能实现完美形状的半球作为单个液滴, 但你必须通过确定合适的点胶参数来确保液滴形成的均匀性非常高, 以保证均匀性组件的构建。
85°c 时的测量模拟了微点胶系统进料盒中悬浮液的流变行为。在90°c 以上, 粘合剂组件开始分解 (图 7)。所有的悬架都表现出几乎相似的行为。微点胶系统使用的喷嘴温度为100°c。由于通过喷嘴时悬浮液温度升高, 导致液滴形成的粘度较低, 从而促进液滴的形成。由于悬浮液在该温度下的停留时间较短, 因此分解不会显著影响材料的行为。
多色成分可以烧结, 几乎无缺陷, 但对于氧化锆黑色-2和氧化锆白色-2粉白色相的颜色变成粉红色。颜色变化的原因是烧结过程中不同材料之间的扩散过程。这只是表面的一种效果, 可以通过磨合步骤来去除。但对于 am 技术制造的复杂结构来说, 这是非常具有挑战性的。
在多色分量内, 平面和交织边界界面在两种不同的组合物之间发展。因此, 无论材料的落入沉积, 不同微观结构的排列都能非常精确地实现。此外, 还可以利用液滴形状来增加两种材料之间的边界界面。到目前为止, 只产生了离散的物质过渡。今后的研究还可能涉及材料之间的逐渐变化。
The authors have nothing to disclose.
该项目根据《豁免8503赠款协议》获得了欧洲联盟 “地平线2020研究和创新” 方案的资助。
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 |