JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

הרכיבים מבוססי קרמיקה חומר רב – כתוסף בייצור מרכיבים אסתטיים בשחור-לבן על-ידי הדפסת תלת-ממד תרמופלסטיים (CerAM - T3DP)

Published: January 07, 2019
doi:
10.3791/57538
, , , , , ,
1Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS, 2Fraunhofer Singapore

Summary

כאן נתאר פרוטוקול עבור additively ייצור רכיבים זרקוניה בשחור-לבן על-ידי הדפסת תלת-ממד תרמופלסטיים (CerAM – T3DP), שיתוף סינטור ללא פגם.

Abstract

כדי לשלב את היתרונות של תוסף ייצור (AM) עם היתרונות של פונקציונלית מדורגות חומרים (FGM) קרמיקה ברכיבים מבוססי-4D (שלוש מידות עבור הגיאומטריה ואת מידת החופש בנוגע את תכונות החומר במיקום כל אחד) הדפסת תלת-ממד תרמופלסטיים (CerAM – T3DP) פותחה. . זו טכנולוגיה AM ישירה המאפשר אני מרכיבי חומר רב. כדי להדגים את היתרונות של רכיבים זרקוניה בשחור-לבן זה הטכנולוגיה היו additively מיוצרים, שיתוף sintered ללא פגם.

שני זוגות שונים של אבקות זירקונים שחורים ולבנים שימשו כדי להכין המתלים גומי סינתטי אשר בהתקשותו שונים. פרמטרים שחולק מתאימים לחקור כדי לייצר מחומר יחיד בדיקת רכיבים, מותאם עבור הייצור מוספים של רכיבי צבע רב זרקוניה.

Introduction

מבחינה תפקודית חומרים מדורגים (FGM) הם חומרים עם מגוון של תכונות הנוגעות מעברים של מיקרו או חומרים1. המעברים הללו ניתן בדיד או רציף. סוגים שונים של FGM ידועים, כגון רכיבי עם מעברי צבע גשמי, נקבוביות מדורגת, כמו גם רכיבים צבעוני.

FGM-ניתן לייצר רכיבים יחיד קונבנציונאלי גיבוש טכנולוגיות2,3,4,5,6,7 או על ידי שילוב של טכנולוגיות אלה, עבור לדוגמה, על-ידי תיוג בעובש כמו שילוב של הקלטת ליציקת הזרקה8,9.

הייצור מוספים (AM) מאפשר הייצור של רכיבים עם חופש עיצוב כה חסרת תקדים. מצב זה נחשב את המדינה של אמנות עיצוב טכנולוגיית פולימרים ומתכות. הראשון מסחרי תהליכי עיבוד קרמיקה זמין10, כמעט כל טכנולוגיות AM ידוע משמשים AM קרמיקה במעבדות בכל העולם11,12,13.

כדי לשלב את היתרונות של בבוקר. עם היתרונות של FGM הרכיבים מבוססי קרמיקה 4D (שלוש מידות עבור הגיאומטריה ואת מידת החופש בנוגע את תכונות החומר במיקום כל אחד) גומי סינתטי אשר בהתקשותו 3D-ההדפסה (CerAM – T3DP) פותחה ב IKTS פראונהופר דרזדן, גרמניה, כטכנולוגיה AM ישירה. דבר זה מאפשר אני של רכיבים חומר רב14,15,16,17. CerAM – T3DP מבוסס על התצהיר סלקטיבי של טיפות יחיד של המתלים גומי סינתטי אשר בהתקשותו חלקיקים מלא. על ידי ניצול מערכות מינון מרובות, ניתן להפקיד המתלים גומי סינתטי אשר בהתקשותו שונים לצד השני שכבה אחרי שכבה כדי לייצר בצובר גשמי כמו גם מעברי צבע מאפיין בתוך additively מיוצרים מרכיבים ירוקים18. בניגוד עקיף תהליכים AM, שבו בעבר חומרים הופקדו לחזק באופן סלקטיבי על כל השכבה, CerAM – תהליך T3DP אינה דורשת מאמץ נוסף של הסרת חומר שאינו פני השטח למוצק לפני התצהיר של החומר הבא, מה שהופך אותו מתאים יותר אני מרכיבי חומר רב.

למרות ניצול CerAM את – T3DP התהליך מאפשר אני של FGM, המימוש של הרכיבים מבוססי קרמיקה עם מאפייני חסרת תקדים, ישנם אתגרים להתגבר לגבי הטיפול התרמי הכרחי לאחר תהליך AM, על מנת לקבל מורכב חומר רב. בפרט, אבקות לזווג בחומר מרוכב צריך להיות בהצלחה משותפת sintered, שעבורו סינטור המרכיבים חייב להתבצע בעיקר הטמפרטורה והאווירה. לכן, זה תנאי הכרחי עבור כל החומרים יש טמפרטורה מתיכות דומות של התנהגות (החל הטמפרטורה של סינטור, הצטמקות התנהגות). כדי למנוע מתח מכני קריטיים במהלך הקירור, המקדם של התפשטות תרמית של כל החומרים חייב להיות שווה כ11.

השילוב של חומרים עם מאפיינים שונים ברכיב אחד פותח את הדלת לרכיבים עם מאפיינים חסר תקדים עבור יישומים סעפת. אי פלדת אל-חלד-אסתטיים מרוכבים יכול לשמש כלי חיתוך, רכיבי עמיד שחיקה, אנרגיה ורכיבים תא דלק או כמו כלי ניתוח דו קוטבית19,20,21,22, 23,24. לרכיבים אלה יכול להיות ממומש על ידי CerAM – T3DP14,15,16,17, גם לאחר ההתאמה של ההתנהגות מתיכות על ידי תהליך יציקה מיוחדת16.

FGM מבוסס-קרמיקה עם נקבוביות מדורגת כמו זרקוניה צפופה, נקבובי משלבים תכונות מכניות טובות מאוד באזורים צפופים עם משטח פעילות גבוהה של האזורים נקבובי. למשל כמו רכיבים יכולים להיות additively מיוצר על ידי CerAM – T3DP18.

בנייר זה, אנחנו חוקרים לא מרכיבים אסתטיים עם שני צבעים שונים ברכיב אחד על-ידי-CerAM – T3DP. בחרנו זרקוניה שחור ולבן כי השילוב ברכיב קרמיקה אחד זה מעניין עבור יישומים תכשיטים. הדרישה של מוצרי מותרות בפעוט הוא גבוה מאוד, עדיין גדל. טכנולוגיות המאפשרות אני של קרמיקה ברכיבים מבוססי-חומר רב עם רזולוציה גבוהה ואת מאפייני משטח טוב יאפשר כדי לספק את הביקוש הזה. קרמיקה כמו זרקוניה משמשים לדוגמה לצפות לייצר רכיבים כמו במקרים לצפות לוחות או עבור טבעות בגלל מישוש מיוחד, במבט מהיר, קשיות, משקל נמוך יותר בהשוואה מתכות.

Protocol

1. תרמופלסטי השעיה על CerAM – T3DP מבחר אבקות עבור הכנת המתלים גומי סינתטי אשר בהתקשותו שחור להשתמש זירקונים שחורים אבקות זירקונים שחורים – 1 , זירקונים שחורים – 2- הכנת המתלים גומי סינתטי אשר בהתקשותו לבן לשימוש זרקוניה לבן – 1 , זירקונים לבנים – 2.הערה: היצרן של קריסטל שחור – 2 משתמש פיגמנטים (4.2 wt.-%) עבור צביעה של זרקוניה ו גם קובע שיש שתי אבקות ההתנהגות מתיכות זהה. בנוסף, האחוז הגבוה של אלומינה (20.43 wt.-%) תורמת הצבע הלבן של זירקונים לבנים – 2- אבקות זירקונים שחורים – 1 זרקוניה לבן – 1 הרכב שונה והם יהיו ולכן דורשים חום מתיכות שונים עבור עיבוי בינוי מלאה. בניגוד זרקוניה לבן – 1, זירקונים שחורים – 1 כוללת לכל היותר 5 פיגמנטים wt.-%. הטמפרטורות מתיכות המומלצים הם 1400 ° C עבור זירקונים שחורים – 1 ו- 1350 ° C עבור זרקוניה לבן – 1. לאפיין את אבקות לגבי צורת פני השטח, פילוג גודל החלקיקים.הערה: תמונות מיקרוסקופ סריקה אלקטרון שימשו כדי לאפיין את הצורה של החלקיקים. התפלגות גודל החלקיקים אבקות שימוש נמדדה על ידי שיטה עקיפה לייזר (diffractometer לייזר). המידות עבור מאפייני משטח ספציפי אבקות בשימוש סופקו על-ידי הייצור. הכנת המתלים אסתטיים שונים להמיס תערובת של פרפין דונג דבורים בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס מחוממת נוזל לרחיצת , homogenize את התערובת פולימר. לאחר מכן להוסיף את האבקה במספר צעדים כדי להגיע את התוכן אבקת 40 vol.%. Homogenize את אבקת-הפולימר-התערובת על ידי ערבוב עבור 2 h-100 מעלות צלזיוס. ודא כל המתלים שיש אבקת אותו תוכן (40 vol.%). אפיון של המתלים לאפיין את התנהגות rheological ההשעיה מותכת באמצעות של rheometer עבור שיעורי הטיה בטווח בין 0-5000/s לטמפרטורות שונות בטווח בין 85 ° C ל- 110 מעלות צלזיוס.הערה: השתמשנו rheometer מתכווננת בין–25 ° C עד 200 ° C עם צלחת/צלחת מדידת מערכת (קוטר 25 מ מ). מומנט נמדדה, צמיגות דינאמית חושבה. להתוות את צמיגות דינאמית כמו פונקציה של קצב הטיה ולוודא כי צמיגות דינאמית היא מתחת Pa·s 100 על שיעור הטיה של 10/s, מתחת Pa·s 20 על שיעור הטיה של 100/s ומתחת Pa·s 1 על שיעור הטיה של 5000/s או להגדיל טמפרטורה בטווח מותר. לשנות את ההרכב השעיה על-ידי הוספת פולימר תערובת אם צמיגות דינאמית גבוהה מדי אפילו בשביל לטמפרטורה של 110 מעלות צלזיוס. 2. ייצור רכיבי יחיד ואת חומר רב על ידי CerAM – T3DP המכשיר הנפוץאיור 1 מציג CAD-ציור של CerAM משומשים – T3DP-התקן עם אחד פרופיל סורק ו שלושה שונים מיקרו dispensing מערכות, אשר יכולים לעבוד במקביל או לסירוגין. השתמש שניים מהם לייצר רכיבים בשחור-לבן. הגדר את הפקדת טיפות תדר עד 100/s והצירים כדי להזיז עם מהירות מקסימלית של 20 מ מ/s. חקירת הפרמטרים התצהירלחקור את ההשפעה של הפרמטרים התצהיר (עובד במהירויות של מערכת מיקרו שחולק; טמפרטורות של מאגר השעיה ו זרבובית; מהירות של הציר) על המאפיינים של טיפות וכתוצאה מכך (צורה; כרך; הומוגניות) או רביב רשתות (צורה; כרך; הומוגניות). משתנים הפרמטרים התצהיר, להפקיד טיפות יחיד, כמו גם רשתות droplet באמצעות תדרים שונים, צירים המהירויות עבור התצהיר.הערה: השפעת הפרמטרים מנפק על המאפיינים של החומרים נדון לפני25. כבר קבעו גבולות ערך פרמטר מדעית בלבד. ודא כי בשונות droplet שרשרת גובה ורוחב לא יעלה על 3%. משתנים רוחב פולס פרמטרים, droplet פיוז’ן פקטור (DFF) רוחב שחול (פרמטר עם פרוסות) כדי לפצות על כך קוטר הבדלים עד ל-100 מיקרון, גובה הבדלים עד 50 מיקרון.הערה: זה לא הכרחי, כנראה בלתי אפשרי להבין את ההמיספרות בצורת באופן מושלם כמו טיפות יחיד, אך עליך לוודא ההומוגניות של היווצרות droplet גבוהה מאוד כדי להבטיח בניין הומוגנית של הרכיבים. חזור על שלב זה עם פרמטרים שונים ראשונית כדי למצוא קבוצה פרמטר אשר מספק את הצורה droplet הומוגנית ביותר ביחס droplet קוטר, רוחב וגובה. ייצור מרכיבי מבחן יחיד-חומר השתמש דגם תלת-ממד שנוצר של החלק הרצוי, שמור את הקובץ כתבנית קובץ STL או מסלולי. השתמש בתוכנית עם פרוסות (למשל מבצעה 1 או 2 מבצעה) כדי ליצור את המקביל-G-code. הגדר את המאפיינים עבור הצורה droplet רכשה בשלב 2.2. להעלות את-G-code ולמלא את הפרמטרים תהליך שיש CerAM – T3DP-התקן. הגדר CerAM – T3DP-התקן עבור הפרמטרים שהושג בשלב 2.2 התואמים לצורה droplet סיפקה את מבצעה. הפעל את תוכנת ההתקן כדי להתחיל את העבודה הבניין.הערה: זה מועיל לייצור מסוימים הבדיקה דוגמאות לפני בניית החלק הרצוי או באמצעות המתלים החדשה. CerAM – T3DP של רכיבים חומר רב עבור כל חומר מעורב לבצע צעד 2.2. בחר שחולק פרמטרים עבור שני חומרים אשר יש בערך את אותם מאפיינים droplet. התאם הגולן שכבה על-ידי שינוי המרחק בין את טיפות יחיד החפיפה שנוצר כדי למנוע הבדלי גבהים על החומרים השונים, אשר עלולה לגרום פגמים גדולים ורכיבים פגום.הערה: על ידי צמצום המרחק בין שתי טיפות החפיפה גדול משויך, הרוחב והגובה של הרשת droplet גדל עקב כמות טיפות יחיד כמעט קבוע. זה יכול להיות שנצפו כי רוחב שרשרת droplet מגביר מהר יותר מאשר הגובה שרשרת ‘ droplet ‘. השתמש דגם תלת-ממד שנוצר של החלק הרצוי ולשמור את הקובץ כקבצים מסלולי. אם נתמך על ידי בפורס אזורים רכיבים מרובים יכולים להישמר בתבנית קובץ STL. על מנת להדפיס חומר רב רכיבים, להקצות שטחים הרכיב המקביל החומר המשויך לתוכנה עם פרוסות על-ידי הקצאת המתאימים מיקרו מערכת שחולק לכל חומר. צור את הקודים-G עבור כל חומר באמצעות התוכנה מבצעה. להעלות את-G-code ולמלא את הפרמטרים תהליך שיש CerAM – T3DP-התקן. הגדר CerAM – T3DP-התקן עבור הפרמטרים שהושג בשלב 2.2 התואמים לצורה droplet סיפקה את מבצעה. הפעל את תוכנת ההתקן כדי להתחיל את העבודה הבניין. 3. Co-Debinding, שותף סינטור של יחיד – ו מולטי – Material רכיבים Debind הדגימות ירוק בשלבים נפרדים הבאים. ראשית, לשים את הדגימות משוחרר בכמויות גדולות של בבקתות־חוף אלומינה אבקת (אבקת מיטה) לתמיכה מבנית הדגימות וכן על מנת להבטיח את התפלגות טמפרטורה אחידה וכדי לקדם את ההסרה של החומרים בינדר על-ידי כוחות נימי. ביצוע של debinding עם שיעור נמוך מאוד חימום תנור (debinding תנור) תחת אוויר-האווירה עד 270 מעלות צלזיוס. הגדר את קצב חימום 4 K/h כדי להבטיח debinding ללא פגם. לאחר שלב זה debinding הראשון הסר בזהירות את האבקה מצעים לדוגמה עם מברשת משובחים. מניחים את הדוגמאות על אלומינה כבשן רהיטים. החל שלב שני debinding תחת אוויר-האווירה עד 900 ° C (12 K/h) בכבשן אותו.הערה: כל החומרים בינדר אורגני הנותרים תרמית הוסרו, בעוד בתוך באותו שלב טרום-סינטור של החלקיקים זרקוניה יזמו כדי לאפשר את העברת עוקבות הדגימות אל כבשן מתיכות. סוף סוף מדבקק את הדגימות תחת אוויר-האווירה במקום 1,350 ° C (180 K/h) כבר שעתיים בתנור מתאימה (תנור מתיכות). לאפיין את הצטמקות של הרכיבים על ידי מדידת אורך בשלושה ממדים וודא שזה כ- 20% לכל כיוון. 4. אפיון של רכיבים Material יחיד מרובי לחתוך את הדגימות כראוי ולהבריק את פני השטח באמצעות שיטות ceramographic. החל חקירות על מיקרו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה שדה פליטה (FESEM). בדוק חזותית שהנקבוביות הן את שני השלבים, הממשק גבול של החומרים בשימוש. כדי להשיג תוצאה מפורטת יותר לבצע ניתוח ממשק, למשל על-ידי FESEM , ניתוח התמונות העוקבות לחקור את נקבוביות בתוך מיקרו sintered.נקבוביות יישוב הוא מתחת 1%. אם נקבוביות גבוהה מדי, משתנים הפרמטר התצהיר העולה (2.2) ו/או למשטר של טיפול תרמי (3).

Representative Results

לייצור רכיבים נמדד, רק אבקות מאותו יצרן כבר בשילוב של כל רכיב חומר רב. ניסויים עם אבקות שונה מייצרת ברכיב אחד עדיין מתנהלות. למטרה זו, המחירים שונים הפסיכיאטר צריך להיחשב. תוצאת מדידת הקוטר החלקיקים הממוצע (d50) של זרקוניה לבן – 1 לאחר פיזור היה 0.37 מיקרומטר. היצרן מצהיר על גודל החלקיקים בפועל של 0.04 מיקרומטר (אחד סדר גודל פחות). גודל החלקיקים הממוצע (d50) קריסטל שחור – 1 הוא 0.5 מיקרומטר. איור 2 (א) מראה את הניתוח FESEM של זרקוניה לבן – 1 ו- איור 2 (B) FESEM-תמונה של פני השטח של granulate בפירוט. איור 2 (ג) ו- איור 2 (ד) מראים זהה עבור זירקונים שחורים – 1. שתי אבקות ללא טיפול מורכב בגרגרים כדורית גדול (קוטר עד 100 מיקרומטר) האופייני עבור חומרי גלם דחופים יבש. FESEM-התמונות של משטחים granulate להציג את ראשי חלקיקי זרקוניה לבן – 1 (איור 2 (B)) ואת זירקונים שחורים – 1 (איור 2 (ד)) עם גודל החלקיקים בפועל של כמעט 0.04? ז. איור 2 (ה) – 2 (H) מראים את FESEM-תמונות של זרקוניה לבן – 2 , זירקונים שחורים – 2. גודל החלקיקים הממוצע נמדד (d50) של אבקות זרקוניה זירקונים לבנים – 2 , זירקונים שחורים – 2 מיקרומטר 0.27 0.25 מיקרומטר, בהתאמה, שבו חלקיקי קיימות כמו גרגרי כדורית עם קטרים עד 100 מיקרומטר (איור 2 (ה) ואיור 2 (G)). הגודל של החלקיקים העיקרי אבקות לבן הוא מתחת 0.1 מיקרומטר (איור 2 (נ)). החלקיקים העיקרי אבקות שחור הם עד 0.5 מיקרומטר קוטר (איור 2 (H)). איור 3 (א) מציג את צמיגות דינאמית המתלים בהתבסס על זרקוניה לבן – 1 קריסטל שחור – 1 כפונקציה של שיעור הטיה, התלות של הטמפרטורה (85 ° C ו- 100 ° C). שני המתלים מראים הטיה של דילול התנהגות בין הטמפרטורה. טבלה 1 מסכמת את צמיגויות מדודה של המתלים במחירים הטיה שונים ועבור טמפרטורות שונות. איור 3 (B) מציג את התנהגות rheological המתלים בהתבסס על זירקונים לבנים – 2 זירקונים שחורים – 2 (85 ° C ו- 100 ° C). כל הגרפים מראים הטיה של דילול התנהגות. 2 טבלה מסכמת של צמיגויות מדודה של המתלים במחירים הטיה שונים ועבור טמפרטורות שונות. בנוסף הטיה שבשליטת תעריף מדידות, בוצעו מדידות לטווח ארוך. איור 3 (ג) מציג את הקורס של צמיגות דינאמית במהלך המדידות לטווח ארוך עבור כל המתלים ארבע בקצב הטיה קבועה של 10/s מעל 2 h. אמנם צמיגות דינאמית המתלים זירקונים לבנים (זרקוניה לבן – 1 ואסתטיים לבן – 2) כמעט קבוע (טבלה 3), צמיגות דינאמית נוטה להפחית מעט של קריסטל שחור (זירקונים שחורים – 1 זירקונים שחורים – 2). לאחר הקביעה אמפירי של הפרמטרים מינון ייצור רכיב יחיד, שלושה ממדי הפך לניהול כל השעיה. איור 4 (א) מראה מבנה המבחן sintered מורכבות בהתבסס על המתלה עשוי זרקוניה לבן – 1, additively מיוצרים על-ידי-CerAM – T3DP. אותו מבחן מבנה מתוצרת additively CerAM – T3DP, את קריסטל שחור – 1-השעיה מוצג באיור 4 (B). איור 4 (ג) מציג את מבנה המבחן sintered המבוסס על המתלים אסתטיים של זרקוניה לבן – 2, איור 4 (ד) מבנה המבחן sintered בהתבסס על קריסטל שחור – 2. מיד לאחר הייצור של רכיבי צבע יחיד של הייצור של רכיבי צבע רב התקיים. איור 4 (ד) 4 (נ) להציג רכיבים צבע רב זרקוניה רכיבים הייצור מוספים באמצעות את CerAM – T3DP. איור 5 (א) ואיור 5 (B) להראות FESEM-תמונות מיקרו של רכיבי צבע רב עם ממשק ניתן להבחנה ברורה בין שני המתלים בהתבסס על זרקוניה אבקות זרקוניה לבן – 1 (למעלה) זירקונים שחורים – 1 (למטה). ניתוח spectroscopic רנטגן ואנליזת-אנרגיה (EDX) הראו כי מיקרו של sintered זירקונים שחורים – 1 סנטימנטים אלומינה מתרחשת (6 ספרות (A-C)). כדי להעריך את ההרכב של, זירקונים שחורים – 1-מיקרו במיוחד באזורים הכהים בחקירות עוד פרט נוסף EDX התקיים (6 ספרות (D-G)) אשר הראו את המשקעים של אלומינה (איור 6 (E) ). איור 1: CAD-ציור של CerAM משומשים – T3DP-מכשיר עם שלוש יחידות שחולק מיקרו וסורק משטח אחד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 2: FESEM-התמונה של זרקוניה בשימוש granulates. (א) granulates זרקוניה לבן – 1 – סקירה, משטח (B) ; (ג) זירקונים שחורים – 1 granulates – מבט כולל, משטח (ד) ; (ה) זירקונים לבנים – 2 granulates – מבט כולל, משטח (נ) ; Granulates (G) זירקונים שחורים – 2 – סקירה, משטח (H) . איור 3: התנהגות Rheological של גומי סינתטי אשר בהתקשותו המתלים. (א) בהתבסס על אבקות זרקוניה זרקוניה לבן – 1 קריסטל שחור – 1; (B) בהתבסס על אבקות זרקוניה זירקונים לבנים – 2 זירקונים שחורים – 2; (ג) השוואה של כל ארבע המתלים במהלך מדידה ארוכת טווח קבועה להטות שיעור 10/s. איור 4: Sintered יחיד – ו מולטי – material בדיקת מבנים מתוצרת additively T3DP. (א) על סמך זרקוניה לבן – 1 -השעיה; (B) על סמך זירקונים שחורים – 1 -השעיה; (ג) על סמך זירקונים לבנים – 2 -השעיה; (ד) על סמך זירקונים שחורים – 2 -השעיה; (ה) מבוסס על זרקוניה לבן – 1 – קריסטל שחור – 1 -השעיה; (נ) מבוסס על זירקונים לבנים – 2- של מבנה מסגרת דמוי קריסטל שחור – 2 – השעיה – מבנה טבעתי (G) . איור 5: FESEM-תמונות- FESEM-תמונות חתך-ממשק בין sintered זרקוניה לבן – 1 (למעלה) לבין זרקוניה שחור – 1 (למטה); ממשק מישורי (א) וממשק שזור (B) איור 6: תוצאות מדידות EDX ב sintered זרקוניה לבן – 1 / קריסטל שחור – 1 -ממשק. (א) סקירה על שדות מידה 1 + 2 ו- (ד) 3-5; תוצאות המדידה (B) שדה 1, שדה (ג) 2, (E) שדה 3, שדה (נ) 4 ו- (ז) שדה 5. איור 7: שינוי מסה של זירקונים לבנים – 1 – ו זירקונים שחורים – 1 -המתלים במהלך פירוק תרמי אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. טבלה 1: צמיגות דינאמית של גומי סינתטי אשר בהתקשותו המתלים בהתבסס על אבקות זרקוניה זרקוניה לבן – 1 קריסטל שחור – 1- אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ. בטבלה 2: צמיגות דינאמית של גומי סינתטי אשר בהתקשותו המתלים בהתבסס על אבקות זרקוניה זירקונים לבנים – 2 2 – שחור זרקוניה. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ. טבלה 3: צמיגות דינאמית של כל ארבע המתלים במהלך המדידה לטווח ארוך בקצב הטיה קבועה של 10/ס אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.

Discussion

אפיון ההתנהגות rheological של המתלה מותכת במחירים גזירה גבוהה עד 5000/s הוא הכרחי מאז הערכת התנאים בתוך המיקרו בשימוש dispensing מערכות (גאומטריה לשכת בוכנה ו זרבובית, מהירות של בוכנה) גילה כי המחירים הטיה של 5000/s ומעלה נוצרות בתהליך המיקרו dispensing המערכת במהלך תהליך התצהיר25.

החקירה של הפרמטרים הדפסה צריך להיעשות כדי לסייע עם הכיול של מנפק עבור הייצור של רכיבי חומר רב. 25. דובר על ההשפעה של הפרמטרים מנפק על המאפיינים של החומרים. גבולות ערך פרמטר היו רק וההרתעה מדעית. עד כה, הניסיון מראה כי השונות droplet שרשרת גובה ורוחב לא יעלה על 3%. קוטר הבדלים עד ל-100 מיקרון, הבדלי גובה עד 50 מיקרון יכול לקבל פיצוי על ידי פרמטרים רוחב, droplet פיוז’ן פקטור (DFF) רוחב שחול (חותך פרמטר).

זה קריטי לתהליך ההדפסה הגולן שכבה של החומרים השונים מותאמים זה לזה על-ידי שינוי המרחק בין טיפות יחיד, שכן זה יגרום לא שווה בשכבה אם לגבהים של החומרים השונים לא תואם. לא שווה מוביל פגמים גדולים ורכיבים פגום. על ידי צמצום המרחק בין שתי טיפות החפיפה גדול משויך, הרוחב והגובה של הרשת droplet גדל עקב כמות טיפות יחיד כמעט קבוע. זה יכול להיות שנצפו כי רוחב שרשרת droplet מגביר מהר יותר מאשר הגובה שרשרת ‘ droplet ‘. . זה לא הכרחי, כנראה בלתי אפשרי להבין את ההמיספרות בצורת באופן מושלם כמו טיפות יחיד, אך עליך לוודא באמצעות קביעת ההתאמה dispensing פרמטרים ההומוגניות של היווצרות droplet גדול מאוד כדי להבטיח הומוגני הבניין של הרכיבים.

המדידה ב 85 מעלות צלזיוס המדמה את התנהגות rheological המתלים במחסנית האכלה של מערכת שחולק מיקרו. מעל 90 מעלות צלזיוס, מתחיל הפירוק של הרכיבים בינדר (איור 7). כל המתלים מראים התנהגות כמעט דומה. הטמפרטורה זרבובית בשימוש של מערכת שחולק מיקרו היתה 100 מעלות צלזיוס. טמפרטורה זו מקדמת את היווצרות droplet בגלל צמיגות נמוכה שנגרמו על ידי הגדלת הטמפרטורה המתלים תוך העברת הצינור. בגלל הזמן להתעכב קצר של המתלים בתוך הצינור בטמפרטורה זו הפירוק היא לא השפעה על גשמי התנהגותם באופן משמעותי.

יכול להיות sintered רכיבי צבע רב כמעט ללא פגם, אבל את אבקות זירקונים שחורים – 2 , זירקונים לבנים – 2 הצבע של השלב לבן הפך ורוד. הגורם לשינוי צבע הם תהליכי דיפוזיה בין החומרים השונים במהלך סינטור. זה רק השפעה על פני השטח, ניתן להסיר באמצעות צעד שחיקה. אבל זה מאוד מאתגרת עבור מבנים מורכבים שנעשו על ידי טכנולוגיות AM.

בתוך רכיבי צבע מרובות ממשקים הגבול מישורי, שזור שהתפתח בין שתי יצירות שונות. לפיכך, ללא קשר בתצהיר מאוגד-ירידה של החומר, הסידור של מזערים שונים יכול להתממש במדויק. יתר על כן, אפשר לנצל את הצורה droplet כדי להגדיל את הממשק גבול בין שני החומרים. עד כה רק דיסקרטית מעברים גשמי הופקו. למחקר עתידי עשוי גם לכלול את הייצור של שינויים הדרגתיים בין חומרים.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

הפרויקט זכה למימון מחקר 2020 אופק ותוכנית החדשנות של האיחוד האירופי תחת גרנט הסכם לא 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 
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kieback, B., Neubrand, A., Riedel, H. Processing techniques for functionally graded materials. Materials Science and Engineering – A. 362 (1-2), 81-106 (2003).
  2. Mortensen, A., Suresh, S. Functionally graded metals and metal-ceramic composites: Part 1 Processing. International Materials Reviews. 40 (6), 239-265 (1995).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Homa, J. Rapid Prototyping of high-performance ceramics opens new opportunities for the CIM industry. Powder Injection Moulding International. 6 (3), 65-68 (2012).
  11. Chartier, T., Badev, A. Rapid Prototyping of Ceramics. Handbook of Advanced Ceramics Elsevier. , (2013).
  12. Travitzky, N., et al. Additive Manufacturing of ceramic-based materials. Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).

Tags

Ceramic ComponentsAdditive ManufacturingThermoplastic 3D PrintingMulti-materialZirconiaBlack And WhiteParticle SizeSuspension PreparationRheology

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Weingarten, S., Scheithauer, U., Johne, R., Abel, J., Schwarzer, E., Moritz, T., Michaelis, A. Multi-material Ceramic-Based Components – Additive Manufacturing of Black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing (CerAM – T3DP). J. Vis. Exp. (143), e57538, doi:10.3791/57538 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image