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

Automatically Generated
Engineering

Componentes baseados em cerâmica multi materiais – aditivo de fabricação de componentes de zircônia em preto e branco por impressão 3D termoplástica (CerAM - T3DP)

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

Summary

Aqui descrevemos um protocolo para aditivamente fabricação de componentes de zircônia em preto e branco por impressão 3D termoplástica (CerAM – T3DP) e co sinterização livre de defeitos.

Abstract

Para combinar os benefícios do aditivo fabricação (AM) com os benefícios de funcionalmente classificados materiais (FGM), a cerâmica com base em componentes de 4D (três dimensões para a geometria e um grau de liberdade relativa as propriedades de material em cada posição) a Impressão 3D termoplástica (CerAM – T3DP) foi desenvolvido. É uma tecnologia de AM direta, que permite que o AM de componentes múltiplos materiais. Para demonstrar as vantagens dos componentes de zircônia em preto e branco tecnologia foram aditivamente fabricado e sinterizados co livre de defeitos.

Dois pares diferentes de pós de zircônia preto e branco foram usados para preparar diferentes suspensões de termoplásticas. Parâmetros adequados de distribuição foram investigados para fabricar componentes de teste single-material e ajustados para a aditiva fabricação de componentes de cor multi zircônia.

Introduction

Funcionalmente materiais classificados (MGF) são materiais com uma variedade de propriedades sobre transições na microestrutura ou no material1. Essas transições podem ser discretos ou contínuos. Diferentes tipos de MGF são conhecidos, tais como componentes com gradientes de material, de porosidade graduada, bem como componentes multi-coloridas.

FGM-componentes podem ser fabricadas pelo único convencional enformação tecnologias2,3,4,5,6,7 , ou por uma combinação destas tecnologias, para exemplo, no molde rotular-se como uma combinação de fita fundição e moldagem-8,9.

Fabricação aditiva (AM) permite a produção de componentes com uma liberdade até agora sem precedentes de design. Este é considerado o estado da arte tecnologia para polímeros e metais dar forma. Primeiros processos comerciais para o processamento de cerâmica estão disponíveis10, e quase todas as tecnologias de AM conhecidas são utilizadas para AM de cerâmica em laboratórios em todo o mundo,11,12,13.

Para combinar os benefícios do AM com os benefícios da MGF para componentes de 4D baseados em cerâmica (três dimensões para a geometria e um grau de liberdade relativa as propriedades de material em cada posição) o termoplástico 3D-impressão (CerAM – T3DP) foi desenvolvido no Fraunhofer IKTS em Dresden, na Alemanha, como uma tecnologia AM direta. Isso permite que o AM de componentes múltiplos materiais14,15,16,17. CerAM – T3DP baseia-se a deposição selectiva de única gotículas de termoplástico suspensões de partículas de cheia. Utilizando vários sistemas de dosagens, diferentes suspensões termoplásticas podem ser depositadas ao lado do outro camada por camada para produzir em massa material bem como gradientes de propriedade dentro os componentes verdes aditivamente fabricados18. Ao contrário dos processos de AM indiretos, no qual anteriormente depositados materiais solidificam seletivamente ao longo de toda a camada, o CerAM – T3DP processo não exige o esforço adicional de remover qualquer material não-solidificado antes da deposição do seguinte material, tornando-o mais adequado para o AM de componentes múltiplos materiais.

Embora utilizando o CerAM – T3DP processo permite que o AM da MGF e a realização de componentes baseados em cerâmica com propriedades sem precedentes, há desafios a superar sobre o tratamento térmico necessário após o processo da AM, a fim de obter uma vários materiais compósitos. Em particular, os pós emparelhados no material composto precisam co com sucesso ser sinterizado, para os quais a sinterização dos componentes tem de ser realizada na mesma temperatura e atmosfera. Portanto, é um pré-requisito para todos os materiais ter uma temperatura de sinterização comparável e comportamento (a partir da temperatura de sinterização, comportamento de encolhimento). Para evitar estresse mecânico crítico durante o resfriamento, o coeficiente de expansão térmica de todos os materiais tem de ser aproximadamente igual11.

A combinação de materiais com diferentes propriedades em um componente abre as portas para componentes com propriedades sem precedentes para múltiplas aplicações. Compostos de aço inoxidável-zircônia por exemplo podem ser usados como ferramentas de corte, componentes resistentes ao desgaste, energia e célula de combustível ou instrumentos cirúrgicos bipolar19,20,21,22, 23,24. Tais componentes poderiam ser realizados por CerAM – T3DP14,15,16,17, também, após o ajuste do comportamento sinterização por um processo de moagem especial16.

MGF baseada em cerâmica com uma porosidade classificada como zircônia densa e porosa combinam muito boas propriedades mecânicas nas áreas densas com uma alta superfície ativa das superfícies porosas. Tais como componentes podem ser aditivamente fabricados CerAM – T3DP18.

Neste trabalho, investigamos o AM de componentes de zircônia com duas cores diferentes em um componente por CerAM – T3DP. Nós escolhemos zircônia branca e preta, porque esta combinação em um componente cerâmico é interessante para aplicações de joias. A demanda de bens de luxo individualizada é muito alta e continua crescendo. Tecnologias que permitem a AM de componentes múltiplos materiais baseados em cerâmica com uma alta resolução e muito boas propriedades de superfície permitirá satisfazer esta exigência. Cerâmica como zircônia é usados por exemplo para relógio produzem componentes, como casos de relógio e molduras ou para anéis devido a especial haptics, Resumo geral, dureza e menor peso em comparação com metais.

Protocol

1. termoplástico suspensão para CerAM – T3DP Seleção de pós Para a preparação das suspensões de termoplásticas pretas usar pós de zircônia preta zircônia preta – 1 e zircônia preta – 2. Para a preparação das suspensões de termoplásticas brancas use zircônia branca – 1 e zircônia branca – 2.Nota: O fabricante de zircônia preta – 2 usa pigmentos (wt.-% 4.2) para a coloração do zircónio e também afirma que os dois pós têm o mesmo comportamento de sinterização. Além disso, a alta percentagem de alumina (20,43 wt.-%) contribui para a cor branca de zircônia branca – 2. Os pós de zircônia preta – 1 e zircônia branca – 1 têm uma composição diferente e, portanto, exigem uma temperatura de sinterização diferente para densificação completa. Em contraste com zircônia branca – 1, zircônia preta – 1 consiste no máximo 5 wt.-% de pigmentos. As temperaturas de sinterização recomendadas são 1400 ° C para zircônia preta – 1 e 1350 ° C para zircônia branca – 1. Caracteriza os pós sobre a forma, a área de superfície e a distribuição de tamanho de partícula.Nota: Imagens de microscopia eletrônica digitalização têm sido utilizadas para caracterizar a forma das partículas. A distribuição granulométrica de pós utilizadas foi medida por um método de difração de laser (laser difratômetro). As medições para as propriedades específicas de superfície dos pós usados foram fornecidas pelo fabricante. Para a preparação de suspensões a zircônia diferentes derreta uma mistura de parafina e cera de abelha, a uma temperatura de 100 ° C em Aquecível dissolvente e homogeneizar a mistura de polímeros. Em seguida, adicione o pó em várias etapas para chegar a um teor de pó de 40 vol.%. Homogeneizar a pó-polímero-mistura por agitação por 2 h a 100 ° C. Certifique-se de que todas as suspensões têm o mesmo conteúdo de pó (40 vol.%). Caracterização das suspensões Caracterizar o comportamento reológico da suspensão fundido usando um rheometer para taxas de cisalhamento em uma escala entre 0-5.000/s para temperaturas diferentes em um intervalo entre 85 ° C e 110 ° C.Nota: Usamos um rheometer ajustável entre-25 ° C a 200 ° C, com uma placa/placa do sistema (25 mm de diâmetro) de medição. O torque foi medido, e calculou-se a viscosidade dinâmica. Plotar como função da taxa de cisalhamento, a viscosidade dinâmica e certifique-se que a viscosidade dinâmica é abaixo de 100 pa · s para a taxa de cisalhamento de 10/s, abaixo de 20 pa · s para a taxa de cisalhamento de 100/s e abaixo de 1 Pa · s para uma taxa de cisalhamento de 5.000/s ou aumento da temperatura dentro da faixa permissível. Alterar a composição da suspensão, adicionando a mistura de polímero, se a viscosidade dinâmica é muito alta mesmo para uma temperatura de 110 ° C. 2. fabricação de componentes simples e multi Material por CerAM – T3DP Dispositivo utilizadoA Figura 1 mostra um desenho do CAD do CerAM usada – T3DP-dispositivo com um scanner de perfil e três diferentes sistemas de distribuição de micro, que podem trabalhar simultaneamente ou alternadamente. Use dois para produzir componentes em preto e branco. Defina a deposição de gotas para uma frequência até 100/s e os eixos para mover com uma velocidade máxima de 20 mm/s. Investigação dos parâmetros de deposiçãoInvestigar a influência dos parâmetros de deposição (velocidades do micro sistema de dispensação; temperatura do reservatório de suspensão e bocal; velocidade do eixo de trabalho) sobre as propriedades da gota ou gotículas resultantes (forma, volume, homogeneidade) correntes (forma, volume, homogeneidade). Variar os parâmetros de deposição e depositam gotículas única, bem como cadeias de gotículas usando diferentes frequências e velocidades de eixos para deposição.Nota: A influência dos parâmetros do distribuidor sobre as propriedades dos materiais foi discutida antes25. Limites de valor de parâmetro apenas foram determinados empiricamente. Certifique-se que que a variância em gotícula cadeia altura e a largura não deve exceder 3%. Variar a largura de pulso de parâmetros, fator de fusão da gota (DFF) e diferenças de largura de extrusão (parâmetro de corte) para compensar o diâmetro até 100 microns e diferenças de altura até 50 microns.Nota: Não é necessário e provavelmente não é possível perceber perfeitamente em forma hemisférios como gotas único, mas você tem que certificar-se de que a homogeneidade da formação da gota é muito elevada para garantir uma construção homogénea dos componentes. Repita este passo com diferentes parâmetros iniciais para encontrar um conjunto de parâmetros que fornece a forma de gotículas mais homogênea em relação ao diâmetro da gota, largura e altura. Fabricação de componentes de teste single-material Usar um modelo 3D gerado da parte desejada e salve o arquivo como formato de arquivo STL ou fungos de micorrizas Arbusculares. Use um programa de corte (por exemplo, Slicer 1 ou 2 Slicer) para gerar o código G correspondente. Defina as propriedades para a forma de gotículas, adquirida no passo 2.2. Carregar o código G e preencher os parâmetros de processo para o CerAM – T3DP-dispositivo. Defina o CerAM – T3DP-dispositivo para os parâmetros obtidos na etapa 2.2 que correspondem à forma da gota fornecida para a segmentação de dados. Inicie o software do dispositivo para iniciar o trabalho de construção.Nota: É benéfico para a fabricação de certas amostras de teste antes de construir a parte desejada ou utilizar novas suspensões. CerAM – T3DP de componentes múltiplos materiais Para cada material envolvido execute passo 2.2. Selecione parâmetros aplicadora para ambos os materiais que têm aproximadamente as mesmas características da gota. Ajuste as alturas de camada, alterando a distância entre as gotas de única e a sobreposição resultante para evitar diferenças de alturas para os diferentes materiais, que podem resultar em grandes defeitos e componentes com defeito.Nota: Ao reduzir a distância entre duas gotas e a associado maior sobreposição, a largura e altura da cadeia da gota aumenta devido ao volume quase constante dos único gotículas. Pode-se observar que a largura da cadeia da gota aumenta mais rapidamente do que a altura da cadeia da gota. Usar um modelo 3D gerado da parte desejada e salve o arquivo como arquivos de fungos de micorrizas Arbusculares. Se suportado pela segmentação de dados múltiplas áreas de componente também podem ser salvo no formato de arquivo STL. A fim de imprimir vários materiais componentes, atribua áreas de componente correspondente ao material associado no software corte alocando um correspondente micro sistema de distribuição para cada material. Gere os G-códigos para cada material usando o software de segmentação de dados. Carregar o código G e preencher os parâmetros de processo para o CerAM – T3DP-dispositivo. Defina o CerAM – T3DP-dispositivo para os parâmetros obtidos na etapa 2.2 que correspondem à forma da gota fornecida para a segmentação de dados. Inicie o software do dispositivo para iniciar o trabalho de construção. 3. Co-Debinding e co sinterização de Single e Multi anti-material componentes Debind as amostras verdes nas seguintes etapas separadas. Em primeiro lugar, coloca as amostras em uma massa solta de pó de granulação grossa da alumina (cama de pó) para suportar estruturalmente as amostras, bem como para assegurar uma distribuição homogênea de temperatura e promover a remoção dos materiais fichário por forças capilares. Executar um debinding com uma taxa muito baixa de aquecimento num forno (debinding fornalha) sob atmosfera de ar até 270 ° C. Defina a taxa de aquecimento de 4 K/h para garantir um debinding livre de defeitos. Após este primeiro passo debinding Remova cuidadosamente o pó de roupa de cama por exemplo com um pincel fino. Coloca as amostras na mobília do forno da alumina. Aplicar uma segunda etapa debinding sob ar-ambiente até 900 ° C (12 K/h) no mesmo forno.Nota: Todos os materiais restantes de aglutinante orgânico termicamente foram removidos, enquanto que dentro na mesma etapa um pre-sinterização de partículas de zircônia foi iniciado para permitir a posterior transferência das amostras para um forno de sinterização. Finalmente, sedimento as amostras sob atmosfera-ar a 1.350 ° C (180 K/h) por 2 h em um forno apropriado (forno de sinterização). Caracterizar o encolhimento dos componentes pela medida do comprimento em três dimensões e certifique-se que é cerca de 20% para cada direção. 4. caracterização dos componentes de Single e Multi anti-material Cortar as amostras corretamente e polir a superfície usando métodos de ceramographic. Aplicam-se as investigações na microestrutura, usando o campo de emissão de microscópio eletrônico de varredura (FESEM). Inspecione visualmente a porosidade das duas fases e na interface do limite dos materiais utilizados. Para obter um resultado mais detalhado realizar uma análise de interface, por exemplo, FESEM e análise de imagens subsequentes para investigar a porosidade dentro a microestrutura sinterizada.A porosidade alvo é inferior a 1%. Se a porosidade é muito alta, varia o parâmetro deposição subindo (2.2) e/ou o regime de tratamento térmico (3).

Representative Results

Para a produção dos componentes medidos, só pós do mesmo fabricante foram combinadas para cada componente multi material. Experimentos com pós de diferentes fabricantes em um componente ainda estão em andamento. Para este efeito, as taxas de psiquiatra diferentes devem ser considerados. O resultado da medição do diâmetro médio da partícula (d50) da zircônia branca – 1 , após a dispersão foi 0.37 µm. O fabricante afirma que um tamanho de partícula real de 0,04 µm (uma ordem de magnitude menos). O tamanho médio da partícula (d50) da zircônia preta – 1 é 0,5 µm. Figura 2 (A) mostra a análise FESEM da zircônia branca – 1 e Figura 2 (B) um FESEM-imagem da superfície de um granulado em detalhe. Figura 2 (C) e a Figura 2 (D) mostram o mesmo para zircônia preta – 1. Ambos não tratadas pós consistem em grandes grânulos esféricos (diâmetro de até 100 µm) que é típico para matérias-primas de prensagem seca. As FESEM-imagens da superfície granulada mostram as partículas primárias da zircônia branca – 1 (Figura 2 (B)) e zircônia preta – 1 (Figura 2 (D)) com um tamanho de partícula real de quase 0,04 µ m. A Figura 2 (E) – 2 (H) mostrar as FESEM-imagens de zircônia branca – 2 e zircônia preta – 2. Os tamanhos médio medido da partícula (d50) dos pós de zircônia zircônia branca – 2 e zircônia preta – 2 µm 0,27 e 0,25 µm, respectivamente, no qual as partículas estão presentes como grânulos esféricos com diâmetros de até 100 µm (Figura 2 (E) e a Figura 2 (G)). O tamanho das partículas primárias de pó branco é abaixo de 0.1 µm (Figura 2 (F)). As partículas de pó preto primária são até 0,5 µm de diâmetro (Figura 2 (H)). Figura 3 (A) mostra a viscosidade dinâmica das suspensões com base em zircônia branca – 1 e zircônia preto – 1 em função da taxa de cisalhamento e da dependência da temperatura (85 ° C e 100 ° C). Ambas as suspensões mostram uma tesoura desbaste comportamento independentemente da temperatura. A tabela 1 resume as viscosidades medidas a suspensões a taxas de cisalhamento diferentes e para diferentes temperaturas. Figura 3 (B) mostra o comportamento reológico das suspensões com base em zircônia branca – 2 e zircônia preta – 2 (85 ° C e 100 ° C). Todos os gráficos mostram um comportamento de afinamento de cisalhamento. A tabela 2 resume as viscosidades medidas a suspensões a taxas de cisalhamento diferentes e para diferentes temperaturas. Além de cisalhamento controlado por taxa de medições, foram efectuadas medições a longo prazo. Figura 3 (C) mostra o curso da viscosidade dinâmica durante as medições a longo prazo para todos os quatro suspensões a uma taxa de cisalhamento constante de 10/s mais 2 h. Enquanto a viscosidade dinâmica das suspensões de zircônia branca (zircônia branca – 1 e zircônia branca – 2) é quase constante (tabela 3), a viscosidade dinâmica tende a diminuir ligeiramente do zirconia preto (zircônia preta – 1 e zircônia preta – 2). Após a determinação empírica dos parâmetros de dosagem a fabricação de componente único, estruturas tridimensionais tornaram-se gerenciável para cada suspensão. Figura 4 (A) mostra uma estrutura de teste sinterizada complexo baseia-se a suspensão de zircônia branca – 1 e aditivamente fabricado pela CerAM – T3DP. O mesmo teste estrutura aditivamente fabricada CerAM – T3DP e a zircônia preta – 1-suspensão é mostrado na Figura 4 (B). Figura 4 (C) mostra uma estrutura de teste sinterizada baseada as suspensões de zircônia da zircônia branca – 2, Figura 4 (D) uma estrutura de teste sinterizado baseada em zircônia preta – 2. Logo após a fabricação dos componentes de cor única na fabricação de componentes de cores multi teve lugar. (D) a 4 (F) a Figura 4 mostra alguns sinterizada fabricação de aditivo zircônia cor multi componentes usando o CerAM – T3DP. Figura 5 (A) e Figura 5 (B) mostram FESEM-imagens de microestrutura de cores multi componentes com uma interface claramente distinguível entre as duas suspensões baseado na zircônia pós branco de zircônia – 1 (em cima) e zircônia negra – 1 (inferior). Uma análise de espectroscópica raio-x-energia dispersiva (EDX) mostrou que a microestrutura dos sinterizado zircônia preta – 1 mais crosta da alumina ocorre (figuras 6 A (C)). Para avaliar a composição da e zircônia preta – 1-microestrutura, especialmente nas áreas escuras em mais detalhe EDX investigações teve lugar (figuras 6 (D-G)), que mostrou a precipitação de alumina (Figura 6 (E) ). Figura 1: desenho do CAD de CerAM usado – T3DP-dispositivo com três unidades de dispensa micro e um scanner de superfície. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 2: FESEM-imagem de zircônia usada granulados. (A) granulados de zircônia branca – 1 – visão geral e (B) superfície; (C) granulados de zircônia preta – 1 – visão geral e (D) superfície; (E) granulados de zircônia branca – 2 – visão geral e uma superfície (F) ; (G) zircônia preta – 2 granulados – visão geral e uma superfície (H) . Figura 3: comportamento reológico de suspensões de termoplásticos. (A) baseado no de pós de zircônia zircônia branca – 1 e zircônia preta – 1; (B) baseado no de pós de zircônia zircônia branca – 2 e zircônia preta – 2; (C) comparação de todos os quatro suspensões durante uma medição de longo prazo em uma constante taxa de 10/s de cisalhamento. Figura 4: sinterizada single e multi – anti-material testar estruturas aditivamente fabricadas pela T3DP. (A) com base em zircônia branca – 1 -suspensão; (B) com base em zircônia preta – 1 -suspensão; (C) baseado em zircônia branca – 2 -suspensão; (D) com base em zircônia preta – 2 -suspensão; (E) com base em zircônia branca – 1 – e zircônia preta – 1 -suspensão; (F) baseado em zircônia branca – 2- e zircônia preta – 2 – suspensão – quadro-como a estrutura e a estrutura em forma de anel (G) . Figura 5: FESEM-imagens. FESEM-imagens de seção transversal na interface entre os sinterizado zircônia branca – 1 (em cima) e zircônia preta – 1 (inferior); Interface de planar (A) e (B) entrelaçada interface Figura 6: Resultados das medições de EDX no aglomerado zircônia branca – 1 / zircônia preta – 1 -interface. (A) visão geral sobre os campos de medição 1 + 2 e (D) 3-5; resultados de campo de medição (B) 1, (C) campo 2, campo (E) 3, (F) campo 4 e (G) campo 5. Figura 7: mudança de massa da zircônia branca – 1 – e zircônia preta – 1 -suspensões durante a decomposição térmica Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Tabela 1: viscosidade dinâmica de suspensões termoplásticas baseado no de pós de zircônia zircônia branca – 1 e preto zircônia – 1. Clique aqui para baixar este arquivo. Tabela 2: viscosidade dinâmica de suspensões termoplásticas baseado no de pós de zircônia zircônia branca – 2 e preto zircônia – 2. Clique aqui para baixar este arquivo. Tabela 3: viscosidade dinâmica de todos os quatro suspensões durante a medição a longo prazo a uma taxa de cisalhamento constante de 10/s. Clique aqui para baixar este arquivo.

Discussion

A caracterização do comportamento reológico da suspensão fundido alto cisalhamento com taxas de até 5000/s é necessária desde a avaliação das condições dentro do micro usado, dispensando sistemas (geometria da câmara de pistão e bocal, velocidade do pistão) revelou que taxas de cisalhamento de 5000/s e superior são geradas no micro sistema distribuidor durante o processo de deposição25.

A investigação dos parâmetros de impressão deve ser feita para ajudar com a calibração do distribuidor para a fabricação de componentes múltiplos materiais. A influência dos parâmetros do distribuidor sobre as propriedades dos materiais tem sido discutida em25. Limites de valor de parâmetro apenas tem sido determinavam empiricamente. Até agora, a experiência mostra que a variação em gotícula cadeia de altura e a largura não deve exceder 3%. Diferenças de diâmetro até 100 microns e diferenças de altura até 50 mícrons podem ser compensadas pelos parâmetros de largura de pulso, fator de fusão da gota (DFF) e largura de extrusão (parâmetro de corte).

É fundamental para o processo de impressão que as alturas de camadas de materiais diferentes são ajustadas para o outro, alterando a distância entre as gotas única, uma vez que resultaria em um desnível dentro de uma camada se as alturas dos diferentes materiais Não jogo. Um desnível leva a grandes defeitos e componentes com defeito. Ao reduzir a distância entre duas gotas e a associado maior sobreposição, a largura e altura da cadeia da gota aumenta devido ao volume quase constante dos único gotículas. Pode-se observar que a largura da cadeia da gota aumenta mais rapidamente do que a altura da cadeia da gota. Não é necessário e provavelmente não é possível perceber perfeitamente em forma hemisférios como gotas único, mas você tem que ter certeza, determinando-se o ajuste de parâmetros que a homogeneidade da formação da gota é muito elevada para garantir uma homogeneidade de distribuição edifício dos componentes.

A medição a 85 ° C simula o comportamento reológico das suspensões no cartucho de alimentação do sistema de distribuição de micro. Acima de 90 ° C, a decomposição dos componentes fichário começa (Figura 7). Todas as suspensões mostram comportamento quase semelhante. A temperatura do bocal usado do sistema de distribuição de micro foi de 100 ° C. Esta temperatura promove a formação de gotículas devido a baixa viscosidade causada pelo aumento da temperatura de suspensões ao passar o bico. Devido o curto tempo das suspensões dentro do bocal a esta temperatura a decomposição não influencia significativamente o comportamento do material.

Os componentes de cores multi poderiam ser sinterizados quase livre de defeitos, mas para os pós de zircônia preta – 2 e zircônia branca – 2 a cor da fase branca virou rosa. A causa para a mudança de cor são processos de difusão entre os materiais diferentes durante a sinterização. Este é apenas um efeito na superfície e pode ser removido por uma etapa de moagem. Mas isto é muito desafiador para estruturas complexas feitas por tecnologias de AM.

Dentro os componentes de cor várias interfaces de fronteira planar e entrelaçadas desenvolvidos entre as duas composições diferentes. Assim, independentemente da deposição de gota-limite do material, o arranjo das microestruturas diferentes pode ser realizado com precisão. Além disso, a forma de gotículas pode ser explorada para aumentar a interface de limite entre dois materiais. Até agora foram produzidas apenas discretas transições materiais. Futuras pesquisas também podem envolver a produção de mudanças graduais entre materiais.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este projeto recebeu financiamento do União Europeia Horizonte 2020 programa de pesquisa e inovação sob Grant acordo n 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