金属陶瓷元件的熔融长丝制造 (fff)

1. 使用的材料 粘结剂组件的选择 根据 fff 定义的高填充化合物 (粉末含量约为 50 vol.%) 的标准选择粘结剂系统: 机械强度高、刚度足够、粘度低、动模灵活性强。高固体载荷可以预期灵活性的大幅降低和粘度的增加。注: 在本研究中, 采用了多组分粘结剂系统。大多数组件由热塑性弹性体组成, 以提高灵活性和强度。将功能化聚烯烃作为主干, 提高了与粉末的附着力。最后, 硬脂酸 (约5卷%) 被纳入作为表面活性剂, 以良好的分散粉末。由于保密原因, 无法披露更多信息。 粉末的选择 为多材料方法选择合适的粉末偶。对于陶瓷和金属粉末的共处理, 请选择在相同烧结气氛中烧结时具有相同热膨胀系数 (cte) 和相同收缩行为的材料。 选择特定的陶瓷等级。选择四边形的稳定氧化锆, 因为 cte 和烧结温度与特殊不锈钢相当, 而且这种陶瓷材料的韧性和弯曲强度都很高。使用特定表面积为 7±2 m 2/的氧化锆粉末, 粒径为 d50 = 0.5 微米。 选择特定的金属等级。采用不锈钢粉末作为导电性和延展性金属材料。该材料必须具有可比的 cte 和类似的烧结温度范围, 在保护氢气氛下的氧化锆。 烧结行为的调整 为了实现无应力共烧结, 调整两种粉末类型的温度依赖性应变行为 (由于烧结和热膨胀而产生的收缩)。由于所使用的氧化锆粉末由于微粒的产生具有较高的表面能, 通过细化较大的金属颗粒来修正不锈钢粉末, 并通过原子晶格的变形增加位错密度。注: 首先在磨损铣削过程中, 球形钢颗粒被重新塑造成薄而脆的薄片, 具有极高的位错密度。其次, 在高能铣削步骤 (行星球磨, pbm), 脆性片将被分解成非常细粒的颗粒, 增加烧结能力。通过这种方法, 可以达到金属粉末烧结活性的增加, 收缩曲线可以调整到氧化锆的曲线, 仅显示微小的差异 19,20。 将磨损铣削 (180分钟) 应用于球形不锈钢颗粒, 使其重新成型为薄脆的薄片。 执行行星球磨 (240分钟), 以打破脆性片成非常细粒颗粒与降低长宽比, 但增加烧结能力。 评估调整成功 使用棒或光学膨胀仪测量合适材料压实的收缩行为, 并对结果进行比较。使用两种材料的体积粉末含量是相同的, 并应用相同的测量 (加热速率, 大气, 最高温度, 停留时间)。 如果烧结行为存在较高的不匹配, 请调整不锈钢粉末的铣削参数。较细的粉末会导致较低的烧结开始温度。更长的磨损铣削时间将导致更高的位错能量和更高的收缩。行星铣削导致飞溅的粉末, 这是适用于聚合物化合物。注: 调整的成功受原材料的影响。必须进行优化。烧结曲线的移位也可以通过对粉末进行分馏来产生。细粉组分倾向于在较低的温度下开始烧结。 2. 长丝生产 原料制备注: 对于氧化锆原料的制备, 将粉末干燥, 以减少其结块的倾向.在真空烤箱中, 在80°c 下干燥材料至少1小时。 在每小时60转的情况下, 将材料预混合在滚子转子搅拌机中30分钟。 确保温度足够高, 可以熔化所有的粘结剂组件。引入粘合剂成分, 等待熔化。每5分钟连续5次送入粉末。 在工艺结束时, 将材料从腔中取出小块, 以方便步进2.1.2。注: 对于这两种材料, 在热塑性原料中实现了47% 的粉末含量。 将固体材料冷却至室温后进行颗粒状或造粒。 使用切割机时, 逐步引入材料件。等待, 直到里面的作品被颗粒化, 以介绍下一个。 在研磨室的出口处, 使用 4 x 4 mm 平方穿孔的筛子, 以获得足够大小的颗粒。此过程对于双螺杆挤出机或剪切辊的连续进料 (步骤 2.1.3) 是必需的。 以较高的剪切速率对材料进行复合, 以提高分散性,例如,在共旋转双螺杆挤出机 (tse) 或剪切辊挤出机中。用传送带收集材料, 并将其冷却至室温。注: 在本研究中, 使用了一个共旋转双螺杆挤出机。螺杆转速设置为600转/分, 从进料区170°c 到模具中210°c 的温度分布被定义。 将固体材料冷却至室温后进行颗粒状或造粒。使用2.1.2 或在传送带末端用造粒机将物料造粒的步骤。如有必要, 重复此过程, 直到颗粒的长度等于或小于4毫米。 图 2: 长丝生产线.通过对挤压速度和温度的调节, 以可控的方式挤压材料。之后, 它是收集和驱动的传送带和牵引装置。测量灯丝直径, 如果值在所需范围内, 灯丝将被后台处理。为了调节灯丝尺寸, 必须逐步调整拉丝和转丝速度。请点击这里查看此图的较大版本. 长丝挤出注:图 2显示了灯丝制备的制造工艺方案和定义底部长丝直径的可变参数。灯丝由传送带收集, 并由两对反旋转滚子的作用拉扯。在激光测量装置中测量直径和椭圆值, 并调整工艺参数以调节长丝几何形状。这些材料最终被储存在线轴上。由于 fff 中的体积流量取决于细丝几何形状, 因此生产尺寸范围不变的细丝对于工艺的可重复性至关重要。 在 30 rpm 的温度下挤压材料, 温度高于粘结剂组件的熔点。为了更好地控制压力和灯丝质量, 请使用喷嘴直径至少为 1.75 mm 的单螺杆挤出机。注: 对于少量材料, 可在材料开发阶段使用高压毛细管流变仪。然而, 一个糟糕的尺寸质量的灯丝是可以预料的。注: 步骤2.1 和2.2.1 可在适当的双螺杆挤出过程中组合。 收集挤压材料。使用传送带收集和冷却挤压材料。使用高挤出速度时, 可能需要空气或水冷却元件。 测量和控制灯丝的尺寸。对于特定的挤压速度, 逐步调节传送带和拉速, 以调整长丝的尺寸 (降低输送机和拉速以获得更高的直径)。生产直径范围为1.70 至1.70 毫米、椭圆度小于 0.10 mm 的细丝。注: 椭圆值定义为最大直径和最小直径之间的差异。对于一个完全圆形的长丝, 必须获得零的椭圆度。 将材料旋转。另外一个打式机装置 (图 2) 可以放置在传送带的末端, 用于自动后台打印。 3. 绿色组件的添加剂制造 最佳工艺参数的研究 打印前, 请使用商业切片软件。该软件可用于设置打印参数, 并从3d-cad 模型生成打印设备的 g 代码。 对于打印, 请考虑以下基本参数: 床的粘附温度 不同材料的打印速度 不同的打印温度, 以实现恒定的物料流动 冷却风扇的控制, 以支持印刷钢绞线的凝固 打印温度, 提高各层之间的附着力 收回参数, 以避免渗出和使用 “素柱” 不同的物料流, 以确保不同材料的相同钢绞线宽度 测试组件的 am 使用商用3d 打印机执行绿色样品的 am (参见材料表)。在印刷多材料组件之前, 先制造单材料测试组件。 在制造多材料组件之前, 请纠正打印机软件中任何可能的喷嘴错位。 单件制造 用氧化锆长丝装入打印头 1, 用不锈钢长丝装入打印头2。对于两条细丝, 使用 10 mm 的打印头速度和20°c 的打印床温度。将氧化锆的打印头温度设置为 220°c, 将不锈钢的打印头温度设置为240°c。注: 作为第一个测试几何样品, 长方体是为单个材料制造的, 并为多材料组件选择了不同的夹心设置。所有绿色部件的最终尺寸为15毫米 x 15 毫米, 厚度各不相同, 为1-3 毫米, 其层厚度为0.25 毫米。打印头温度可以变化, 以达到所需的流动性的原料。提高温度会降低粘度。这两种材料的最佳打印温度可能会有所不同。 多材料制造 通过与两个或三个不同层交替制造多材料部件,例如1 毫米不锈钢/1 毫米氧化锆/1 毫米不锈钢或1毫米氧化锆/1 毫米氧化锆。注: 在多部件打印中, 使用 “主柱” 进行清晰而精确的材料过渡非常有帮助。更换打印头时, 需要几毫米的长丝, 直到材料填充使用过的喷嘴进行挤压, 从而产生间隙。因此, 零件的外观并不像想象的那么好。为了避免这种行为, 打印零件旁边的 “原力柱”, 这可以在软件中设置。更换喷嘴时, 将首先打印原柱的一层 (矩形塔,图 3), 以确保喷嘴已准备好并准备好打印, 然后再继续使用零件层。 制造的优化 如果需要, 请使用 “渗出罩”;这是组件周围的打印薄壁 (图 4)。在零件外的第二个部件的打印头发生变化后, 当喷嘴从塔外移动时, 使喷嘴穿过这堵墙。所有粘附材料都将从该屏蔽处的喷嘴上剥落, 并可提高要打印的零件的材料沉积精度。注: 如果长丝的直径是恒定的, 则可以通过对流量、挤出宽度和挤出倍增器进行更精细的调整, 从而进一步优化可实现的质量。 图 3: 塔式金属陶瓷构件的制造工艺.请点击这里查看此图的较大版本. 图 4: 具有周围的遮阳板的组件的虚拟打印.请点击这里查看此图的较大版本. 4. 部件的脱胶和烧结 连续两个步骤进行辩论。首先, 进行溶剂萃取, 然后进行热处理, 分解残留的粘结剂成分。 在60°c 下使用环己烷与印刷的绿色部件进行溶剂萃取。用足够的环已烷覆盖样品, 并治疗 8小时. 在执行此步骤时, 请考虑消防安全方面。可溶性粘合剂含量约为 7-9 wt%, 将在此删除。注: 应用溶剂萃取可减少在后续热致化过程中的膨胀效果。 在氩气氛中的脱脂炉中进行热脱脂, 以保护材料不被还原 (发生在氮气气氛下) 或氧化。使用440°c 的最高温度和5°ch 和150°ch 之间的不同加热速率。 要表征或优化两种原料的脱脂行为, 请在高达600°c 的氮气流量下进行热重分析, 以评估适当的加热速率。 在高温钨炉中, 在80% 氩和20% 氢的还原气氛中进行烧结。使用3°cmin 和5°cmmin 之间的加热速率, 达到 1, 365°c 的最高温度。停留时间为3小时后, 将窑炉冷却至室温。