Nous décrivons ici un protocole pour additivement fabrique des composants de la zircone en noir et blanc par impression 3D thermoplastique (CerAM – T3DP) et co frittage sans défaut.
Pour combiner les avantages de fabrication Additive (AM) avec les avantages du point de vue fonctionnel classé matériaux (FGM) à base de céramique de composants 4D (trois dimensions pour la géométrie et un degré de liberté concernant les propriétés du matériau dans chaque position) la Impression 3D thermoplastique (CerAM – T3DP) a été développée. C’est une technologie AM direct qui permet à l’AM de composants multi-matériaux. Pour démontrer les avantages de ce composants de zircone en noir et blanc de technologie additivement fabriquées et co frittés sans défaut.
Deux paires différentes de poudres de zirconium noir et blanc ont servi à préparer les différentes suspensions de thermoplastiques. Paramètres de dosage appropriés ont été étudiés pour la fabrication de composants de test unique-matériel et ajustés pour la fabrication additive des composants multi-color zircone.
Fonctionnellement matériaux classés (MGF) sont des matériaux avec une variété de propriétés concernant les transitions dans la microstructure ou dans le matériau1. Ces transitions peuvent être discrètes ou continues. Différents types de mutilations génitales féminines sont connus, tels que les composants avec matériels dégradés, porosité classée ainsi que les composants multicolores.
MGF-composants peuvent être fabriquées par simple classiques façonnage technologies2,3,4,5,6,7 , ou par une combinaison de ces technologies, pour exemple, par marquage de surmoulée comme une combinaison de coulée de ruban et8,9de moulage par injection.
Fabrication additive (AM) permet la production de composants avec une liberté jusqu’ici sans précédent de la conception. Ceci est considéré comme l’état de la technique façonnage technologie des polymères et des métaux. Première des processus commerciaux pour le traitement de la céramique sont disponibles10, et presque toutes les technologies connues de AM servent à AM de la céramique dans les laboratoires partout dans le monde11,12,13.
Pour allier les avantages d’AM avec les avantages des mutilations génitales féminines à base de céramique de composants 4D (trois dimensions pour la géométrie et un degré de liberté concernant les propriétés du matériau dans chaque position) l’impression 3D thermoplastique (CerAM – T3DP) a été développée à Fraunhofer IKTS à Dresde, en Allemagne, comme une technologie AM directe. Cela permet à l’AM de composants multimatériaux14,15,16,17. CerAM – T3DP repose sur le dépôt sélectif de gouttelettes unique de particules remplis suspensions thermoplastique. En utilisant plusieurs systèmes de dosage, différentes suspensions thermoplastiques peuvent être déposées à côté de l’autre couche par couche pour produire en masse matérielle aussi bien que des gradients de propriété dans les pièces vert additivement produites18. Contrairement aux procédés indirects de AM, où déjà des matériaux déposés solidifient sélectivement sur le calque entier, le CerAM – T3DP processus ne nécessite pas l’effort supplémentaire d’enlèvement de copeaux non solidifié avant la déposition du matériel suivant, rend plus appropriée pour l’AM de composants multi-matériaux.
Bien qu’utilisant le CerAM – T3DP processus permet l’AM des mutilations génitales féminines et la réalisation de composants à base de céramique avec des propriétés sans précédent, il y a des défis à relever concernant le traitement thermique nécessaire après le processus de l’AM, afin d’obtenir une composites multi-matériaux. En particulier, les poudres appariés dans le matériau composite doivent être fritté avec succès conjointement, pour lequel le frittage des composants doit être exécuté à la même température et l’atmosphère. Par conséquent, il est une condition sine qua non pour tous les matériaux d’avoir une température de frittage comparable et comportement (température de frittage, comportement de retrait de départ). Afin d’éviter les contraintes mécaniques critiques lors du refroidissement, le coefficient de dilatation thermique des matériaux doit être approximativement égale à11.
La combinaison des matériaux avec des propriétés différentes dans un seul composant ouvre la porte aux composants avec des propriétés sans précédent pour des applications multiples. Composites en acier inoxydable-zirconium par exemple peuvent être utilisés comme outils de coupe, composants résistants à l’usure, l’énergie et des composants de pile à combustible ou des outils chirurgicaux bipolaire19,20,21,22, 23,24. Ces composants pourraient être réalisés par CerAM – T3DP14,15,16,17, aussi, après le réglage du comportement frittage par un processus de fraisage spécial16.
Base de céramique des mutilations génitales féminines avec une porosité classée comme zircone dense et poreuse se combinent très bonnes propriétés mécaniques dans les zones denses avec une grande surface active des zones poreuses. Tels que les composants peuvent être additivement fabriquées par CerAM – T3DP18.
Dans cet article, nous étudions l’AM des composants de la zircone avec deux couleurs différentes dans un seul composant de CerAM – T3DP. Nous avons choisi la zircone blanche et noire parce que cette combinaison en un seul composant céramique est intéressante pour des applications de bijoux. La demande de produits de luxe individualisé est très élevée et toujours croissante. Technologies qui permettent à l’AM de composants multimatériaux à base de céramique avec une haute résolution et de très bonnes propriétés de surface permettra de répondre à cette demande. Céramiques comme zircone servent par exemple à regarder produits composants comme les boîtes de montres et de cadrans ou des anneaux à cause de l’haptique spéciale, coup d’oeil, de dureté et de poids inférieur par rapport aux métaux.
La caractérisation du comportement rhéologique de la suspension fondu à des vitesses de cisaillement élevées jusqu’à 5000/s est nécessaire depuis l’évaluation des conditions dans le micro utilisé distribution systems (géométrie de la chambre de piston et de la buse, la vitesse du piston) a révélé que des vitesses de cisaillement de 5000/s et plus sont générés dans le micro, système de distribution pendant le processus de dépôt25.
L’enquête des paramètres d’impression doit être fait pour aider à l’étalonnage du doseur pour la fabrication de composants multi-matériaux. L’influence des paramètres du distributeur sur les propriétés des matériaux a été examinée par25. Limites de valeur de paramètre n’ont été dissuasif empiriquement. Jusqu’à présent, l’expérience montre que l’écart en gouttelettes chaîne height et width ne doit pas dépasser 3 %. Différences de diamètre jusqu’à 100 microns et différences de hauteur jusqu’à 50 microns peuvent être compensées par la largeur d’impulsion de paramètres, le facteur de fusion de gouttelettes (DFF) et la largeur d’extrusion (tranchage paramètre).
Il est essentiel pour le processus d’impression que les hauteurs de la couche des matériaux différents sont ajustés les uns aux autres en modifiant la distance entre les gouttelettes unique, car elle se traduirait par un dénivellement au sein d’une couche si les hauteurs des différents matériaux ne pas de match. Un dénivellement mène à grands défauts et les composants défectueux. En réduisant la distance entre deux gouttelettes et le chevauchement associé à une plus grande, la largeur et la hauteur de la chaîne de la goutte augmente en raison du volume quasi constant des gouttelettes unique. On observe que la largeur de chaîne goutte augmente plus rapidement que la hauteur de chaîne de gouttelettes. Il n’est pas nécessaire et sans doute pas possible de réaliser des hémisphères parfaitement en forme sous forme de gouttelettes unique, mais vous devez s’assurer en déterminant le raccord de distribution des paramètres que l’homogénéité de la formation de gouttelettes est très élevée pour garantir un homogène la construction des composants.
La mesure à 85 ° C simule le comportement rhéologique des suspensions dans la cartouche d’alimentation du système micro distribution. Supérieure à 90 ° C, la décomposition des éléments liant commence (Figure 7). Toutes les suspensions montrent un comportement presque similaire. La température de gicleur utilisé de la microchaîne distribution était de 100 ° C. Cette température favorise la formation de gouttelettes en raison de la faible viscosité causée par l’augmentation de la température des suspensions en passant de la buse. En raison de la courte temporisation des suspensions dans la bouche à cette température la décomposition n’est ne pas influencer le comportement sensiblement.
Les composants multicolores pourraient être frittés presque sans défaut, mais pour les poudres de zircone noire – 2 et la zircone blanche – 2 la couleur de la phase blanche est devenue rose. La cause du changement de couleur sont des processus de diffusion entre les différentes matières au cours de frittage. C’est seulement un effet à la surface et peut être enlevé par une étape de broyage. Mais c’est très difficile pour les structures complexes de technologies AM.
Dans les composants de couleurs multi interfaces planes et entrelacées limite instaurées entre les deux compositions différentes. Ainsi, indépendamment de la déposition de goutte-limite du matériau, l’arrangement des microstructures différentes peut être réalisée très précisément. En outre, la forme de gouttelettes peut être exploitée pour améliorer l’interface de la frontière entre les deux matériaux. Jusqu’à présent, seulement discrets transitions matérielles ont été produites. Les recherches futures peuvent aussi entraîner la production de changements graduels entre matériaux.
The authors have nothing to disclose.
Ce projet reçoit une subvention de l’Union européenne Horizon 2020 programme de recherche et l’Innovation en vertu de l’accord de subvention N° 678503.
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 |