Qui descriviamo un protocollo per additivo produzione di componenti di zirconio in bianco e nero di stampa 3D termoplastico (CerAM – T3DP) e co-sinterizzazione privo di difetti.
Per combinare i vantaggi di additivo Manufacturing (AM) con i vantaggi di materiali funzionalmente graduata (MGF) ai componenti basati su ceramica di 4D (tre dimensioni per la geometria e un grado di libertà riguardanti le proprietà del materiale in ogni posizione) il Stampa 3D termoplastico (CerAM – T3DP) è stato sviluppato. È una tecnologia di AM diretta che permette l’AM di componenti multi-materiali. Per dimostrare i vantaggi dei componenti di zirconio in bianco e nero tecnologia additivo sono stati fabbricati e co-sinterizzata privo di difetti.
Due diverse coppie di polveri di ossido di zirconio bianco e nero sono state utilizzate per preparare diverse sospensioni termoplastici. Appropriati parametri di dosaggio sono stati studiati per la produzione di componenti di test solo materiale e regolati per la produzione di additivi di componenti multi-colore zirconia.
Funzionalmente classificati materiali (MGF) sono materiali con una varietà di proprietà relative transizioni nella microstruttura o nel materiale1. Queste transizioni possono essere discreti o continui. Sono noti diversi tipi di MGF, come componenti con materiale gradienti, porosità graduata, nonché componenti multi-colored.
MGF-componenti possono essere prodotti da singolo convenzionale modellante tecnologie2,3,4,5,6,7 o da una combinazione di queste tecnologie, per ad esempio, mediante etichettatura nello stampo come una combinazione di nastro colata e stampaggio8,9.
Produzione additiva (AM) permette la produzione di componenti con una libertà finora senza precedenti del design. Questo è considerato lo stato dell’arte che modella la tecnologia per polimeri e metalli. I primi processi commerciali per la lavorazione della ceramica sono disponibili10, e quasi tutti i noti AM tecnologie vengono utilizzate per AM della ceramica nei laboratori in tutto il mondo11,12,13.
Per unire i vantaggi di AM con i vantaggi di MGF a base ceramica D 4 componenti (tre dimensioni per la geometria e un grado di libertà riguardanti le proprietà del materiale in ogni posizione) la stampa 3D termoplastico (CerAM – T3DP) è stato sviluppato presso Fraunhofer IKTS a Dresda, in Germania, come una tecnologia direct AM. In questo modo l’AM di componenti multi-materiale14,15,16,17. CerAM – T3DP si basa sulla deposizione selettiva di singole gocce di sospensioni termoplastico particella riempita. Utilizzando sistemi di dosaggio multipli, diverse sospensioni termoplastici possono essere depositati accanto a altro a strati per la produzione di massa del materiale così come sfumature di proprietà all’interno i componenti additivo prodotti verde18. A differenza dei processi AM indiretti, in cui precedentemente depositati materiali solidificano selettivamente sopra l’intero livello, CerAM – T3DP processo non richiede lo sforzo supplementare di rimuovere qualsiasi materiale non solidificato prima la deposizione del materiale successivo, che lo rende più adatto per l’AM di componenti multi-materiali.
Anche se utilizzando il CerAM – T3DP processo permette l’AM delle mutilazioni genitali femminili e la realizzazione di componenti ceramici con proprietà senza precedenti, ci sono sfide da superare per quanto riguarda il trattamento termico necessario dopo il processo di AM, al fine di ottenere un multi-materiale composito. In particolare, le polveri accoppiate in materiale composito devono correttamente essere co-sinterizzati, per cui la sinterizzazione dei componenti deve essere eseguita alla stessa temperatura e atmosfera. Pertanto, è un prerequisito per tutti i materiali avere una temperatura di sinterizzazione comparabile e comportamento (a partire da temperatura di sinterizzazione, comportamento di restringimento). Al fine di evitare sollecitazioni meccaniche critiche durante il raffreddamento, il coefficiente di espansione termica di tutti i materiali deve essere approssimativamente uguale a11.
La combinazione di materiali con proprietà diverse in un unico componente apre le porte ai componenti con proprietà senza precedenti per molteplici applicazioni. Compositi in acciaio inox-zirconia ad esempio possono essere utilizzati come utensili da taglio, componenti resistenti all’usura, energia e componenti per celle a combustibile o strumenti chirurgici bipolare19,20,21,22, 23,24. Tali componenti potrebbero essere realizzati da CerAM – T3DP14,15,16,17, troppo, dopo la regolazione del comportamento sinterizzazione da una speciale fresatura processo16.
MGF a base di ceramica con una porosità graduata come denso e poroso in biossido di zirconio combinare ottime caratteristiche meccaniche in aree densamente popolate con un’alta superficie attiva delle zone porose. Come ad esempio componenti può essere additivo prodotto da CerAM – T3DP18.
In questa carta, studiamo l’AM di componenti di ossido di zirconio con due colori diversi in un unico componente di CerAM – T3DP. Abbiamo scelto di zirconi bianchi e neri, perchè questa combinazione in un unico componente in ceramica è interessante per applicazioni di gioielli. La domanda di beni di lusso individualizzato è molto alta e ancora in crescita. Tecnologie che consentono l’AM di componenti multi-materiali a base di ceramica con una risoluzione elevata e ottime proprietà di superficie consentirà di soddisfare questa richiesta. Ceramica come biossido di zirconio vengono utilizzati ad esempio per orologio di produrre componenti come casse per orologi e cornici o per anelli a causa della speciale haptics, uno sguardo, durezza e peso inferiore rispetto ai metalli.
La caratterizzazione del comportamento reologico della sospensione fuso a taglio alta velocità fino a 5000/s è necessaria perché la valutazione delle condizioni all’interno di micro usato LAWER (geometria dell’alloggiamento del pistone e l’ugello, velocità del pistone) ha rivelato che i tassi di taglio di 5000/s e superiori vengono generati nel micro sistema di erogazione durante il processo di deposizione25.
L’indagine dei parametri stampa dovrebbe essere fatto per aiutare con la calibrazione dell’erogatore per la produzione di componenti multi-materiali. L’influenza dei parametri erogatore sulle proprietà dei materiali è stato discusso in25. I limiti di valore di parametro sono stati solo impedimento empiricamente. Finora l’esperienza dimostra che la varianza in gocciolina catena altezza e la larghezza non deve superare il 3%. Differenze di diametro fino a 100 micron e differenze di altezza fino a 50 micron possono essere compensate dai parametri di larghezza di impulso, fattore di fusione di goccia (DFF) e larghezza di estrusione (affettare parametro).
È fondamentale per il processo di stampa che l’altezza di strato dei diversi materiali è modificati a vicenda modificando la distanza tra le singole goccioline, poiché si tradurrebbe in un’irregolarità all’interno di un livello se le altezze dei diversi materiali fare non corrispondenza. Un’irregolarità conduce a grandi difetti e componenti difettosi. Riducendo la distanza tra due goccioline e la sovrapposizione maggiore associata, la larghezza e l’altezza della catena gocciolina aumenta a causa del volume quasi costante delle singole gocce. Si può osservare che la larghezza della catena della gocciolina aumenta più velocemente rispetto all’altezza di catena della gocciolina. Non è necessario e probabilmente non è possibile realizzare gli emisferi perfettamente sagomati come singole goccioline, ma è necessario assicurarsi che determinando il raccordo di parametri che l’omogeneità della formazione della gocciolina è molto elevato per garantire un omogeneo di erogazione costruzione dei componenti.
La misurazione a 85 ° C simula il comportamento reologico delle sospensioni nella cartuccia d’alimentazione del micro sistema di erogazione. Sopra 90 ° C, la decomposizione dei componenti raccoglitore comincia (Figura 7). Tutte le sospensioni mostrano un comportamento quasi simile. La temperatura di ugello usato del micro sistema erogazione era 100 ° C. Questa temperatura promuove la formazione della gocciolina grazie alla bassa viscosità causata aumentando la temperatura di sospensioni mentre passando l’ugello. A causa del tempo di sosta breve delle sospensioni all’interno l’ugello a questa temperatura la decomposizione non sta influenzando in modo significativo il comportamento del materiale.
I componenti di multi-colori potrebbero essere sinterizzati quasi privo di difetti, ma per le polveri di ossido di zirconio nero – 2 e zirconia bianca – 2 il colore della fase bianco trasformato in rosa. La causa per il cambiamento di colore sono processi di diffusione tra i diversi materiali durante la sinterizzazione. Questo è solo un effetto sulla superficie e può essere rimosso da una fase di macinazione. Ma questo è molto impegnativo per strutture complesse rese dalle tecnologie AM.
All’interno dei componenti di multi-colori planari e intrecciato confine interfacce sviluppate tra le due diverse composizioni. Così, indipendentemente dal fatto la deposizione di goccia-limite del materiale, la disposizione delle microstrutture diverse può essere realizzata molto precisamente. Inoltre, la forma di goccia può essere sfruttata per aumentare l’interfaccia di confine tra i due materiali. Finora sono state prodotte solo discrete materiale transizioni. La ricerca futura può anche comportare la produzione di cambiamenti graduali tra materiali.
The authors have nothing to disclose.
Questo progetto ha ricevuto finanziamenti da parte dell’Unione europea Horizon 2020 ricerca e innovazione programma sotto Grant accordo No 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 |