Fused Filament Fabrication (FFF) of Metal-Ceramic Components

Johannes Abel; Uwe Scheithauer; Thomas Janics; Stefan Hampel; Santiago Cano; Axel M&#252;ller-K&#246;hn; Anne G&#252;nther; Christian Kukla; Tassilo Moritz

doi:10.3791/57693

JoVE Journal > Engineering

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

Engineering

Gesmolten gloeidraad fabricage (FFF) van metaal-keramische onderdelen

Published: January 11, 2019

doi:

10.3791/57693

Johannes Abel¹, Uwe Scheithauer¹, Thomas Janics², Stefan Hampel², Santiago Cano³, Axel Müller-Köhn¹, Anne Günther¹, Christian Kukla⁴, Tassilo Moritz¹

¹Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS, ²HAGE Sondermaschinenbau GmbH & Co KG, ³Institute of Polymer Processing,Montanuniversitaet Leoben, ⁴Industrial Liaison Department,Montanuniversitaet Leoben

Summary

Deze studie toont multi materiële additive manufacturing (ben) met behulp van gesmolten gloeidraad fabricage (FFF) van roestvrij staal en Zirkonia.

Abstract

Technische keramiek worden veel gebruikt voor industrie en onderzoek, alsmede voor consumptiegoederen. Vandaag, groeit de vraag naar complexe geometrieën met uiteenlopende aanpassingsopties en gunstige productiemethodes voortdurend. Met gesmolten gloeidraad fabricage (FFF) is het mogelijk voor de productie van grote en complexe onderdelen snel met materiële hoogrenderende. In FFF, is een continu thermoplastische filamenten gesmolten in een verwarmde mondstuk en gestort hieronder. De printerkop computergestuurde wordt verplaatst om de gewenste vorm laag voor laag opgebouwd. Onderzoeken met betrekking tot afdrukken van metalen of keramiek stijgen meer en meer in onderzoek en industrie. Deze studie richt zich op additieve productie (AM) met een multi materiële benadering combineren een metaal (roestvrij staal) met een technische keramiek (Zirkonia: ZrO₂). De combinatie van deze materialen biedt een breed scala aan toepassingen als gevolg van hun verschillende elektrische en mechanische eigenschappen. Het document toont de belangrijkste kwesties in voorbereiding van het materiaal en grondstof, apparaat-ontwikkeling en afdrukken van deze composieten.

Introduction

Volgens ISO/ASTM is additive manufacturing (AM) de algemene term voor technologieën dat fysieke objecten op basis van een geometrische vertegenwoordiging door opeenvolgende toevoeging van materiële¹maken. Vandaar bieden deze technologieën de mogelijkheid voor de productie van componenten met een uiterst complexe geometrie, die niet worden verwezenlijkt door een andere vormgeving techniek die bekend staat om de auteurs.

Keramische materialen zijn bestudeerd sinds de vroege ontwikkeling van de verschillende AM-technologieën in de afgelopen kwart eeuw²^,,³; additieve vervaardiging van keramische onderdelen is echter niet stand van de techniek in tegenstelling tot de additieve vervaardiging van polymeren of metalen onderdelen. Verschillende overzichten over de AM-technologieën die worden gebruikt voor keramische onderdelen worden gegeven door Chartier et al. ⁴, Travitzky et al. ⁵ en Zocca et al. ⁶, die kunnen worden ingedeeld volgens de staat van het materiaal dat wordt gebruikt – poeder materialen, vloeibare materialen en solide materialen⁴^,⁵ of volgens het soort materiaal afzetting en stollen⁶. AM apparaten beschikbaar zijn waarmee de additieve vervaardiging van dichte en kwalitatief hoogwaardige keramische onderdelen met de gewenste eigenschappen voor de meeste toepassingen⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰ ^, ¹¹.

Productie van de keramische onderdelen complexe verwerking vereist, en dit is tot stilstand gekomen vooruitgang in de AM van keramiek. Keramische onderdelen zijn echter onmisbaar voor speciale consumptiegoederen, medische hulpmiddelen en AM opent nieuwe perspectieven voor de fabricage van nieuwe onderdelen met “onmogelijke” geometrieën¹². Voor technische keramische onderdelen, is een latere thermische behandeling van de vervaardigde onderdelen vereist sinds de AM vormgeving van keramiek vereist het gebruik van poeders geschorst in organische bindmiddelen die moeten worden verwijderd (dwz., debinding) vóór de poeder is samen gesmolten (dat wil zeggen, sinteren).

De AM multi materiële of multi-functionele componenten combineert de voordelen van AM en functioneel ingedeeld materialen (FGM)¹³ in keramiek gebaseerde 4 D-componenten¹⁴. Materiële hybriden toestaan eigenschap combinaties zoals elektrisch geleidende/isolatie, magnetische/niet-magnetische, nodulair/hard of verschillende verkleuringen. Hybride componenten kunnen vertonen sensor of actuator functies van MEMS (micro elektromechanische systemen)¹⁵ ook bekend. Metaal/keramische composieten kunnen bovendien aanvullen verbinden keramische delen in machines omdat conventionele lasbaar staal partners gebruikt kunnen worden.

Het Europese Project cerAMfacturing (EU-projekt CORDIS 678503) ontwikkelt AM technologieën voor losse materiële componenten alsmede een volledig nieuwe aanpak voor AM multi materiële componenten, waarmee serieproductie van aangepaste en multifunctionele onderdelen voor diverse toepassingen¹². Drie verschillende schorsing gebaseerde AM technieken zijn gekwalificeerd om de ben van keramiek-keramiek evenals metaal-keramische onderdelen. Het gebruik van AM-technieken schorsing gebaseerde belooft verbeterde component prestaties in vergelijking met poeder gebaseerde methoden. Omdat de verdeling van de deeltjesgrootte van het poeder in een suspensie homogener en compacter is dan in een bed van poeder is opbrengst deze vormgeving methoden hogere groene dichtheden, die in gesinterd componenten met dichte microstructuren en lage oppervlakteruwheid resulteren ¹²niveaus.

Samen met litho gebaseerde keramische industrie (LCM)⁷^,–⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹⁶^,¹⁷, gesmolten gloeidraad fabricage (FFF) en thermoplastische 3D-printing (T3DP)¹²^,¹⁴^,¹⁸ worden ontwikkeld. FFF en T3DP zijn meer geschikt voor de AM multi materiële componenten dan LCM vanwege de selectieve afzetting en stollen van het bepaald materiaal in plaats van de pure selectieve stollen van over de gehele laag^{14 gedeponeerd materiaal}.

Een bijkomend voordeel van FFF en T3DP in vergelijking met de LCM is het gebruik van kunststof binder systemen in plaats van foto-uithardende polymeren. Het bindmiddel-systeem kunnen de verwerking van poeders onafhankelijk van hun optische eigenschappen zoals de absorptie-, emissie- en reflectie van elektromagnetische golven, bijvoorbeeld donkere en lichte materialen (in het zichtbare bereik), die nodig is voor de productie van metaal-keramische onderdelen¹⁹^,²⁰. Bovendien, lage investering is vereist voor de FFF apparatuur aangezien een groot aantal standaard apparaten beschikbaar zijn. Deze techniek wordt zuinig als gevolg van de hoge efficiëntie van de materiële en de recyclebare materialen. Ten slotte, FFF is gemakkelijk te upscale voor grote delen omdat het proces berust op het verplaatsen van de printkop op assen.

Deze paper presenteert de eerste resultaten van de productie van metaal-keramische composieten met behulp van FFF. Bovendien, wordt de technische combinatie van FFF en T3DP eenheden gepresenteerd, hoewel het nog in ontwikkeling. In het proces van FFF, zijn door samensmelting van filamenten van thermoplastische polymeren gesmolten en selectief geëxtrudeerd door het optreden van twee teller roterende elementen. Zodra het materiaal warm via het mondstuk geperst is, stolt het door afkoeling, waardoor de productie van onderdelen laag-voor-laag. Voor de productie van definitieve keramische en metalen onderdelen, is een variant van het proces ontwikkelde²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵^,²⁶. De polymere compounds, bekend als bindmiddelen, zijn zeer gevuld met een keramische of metalen poeder. Zodra de vormgeving van de onderdelen is uitgevoerd met behulp van de conventionele benadering van de FFF, zijn twee extra stappen vereist. Ten eerste, de polymere componenten moeten volledig worden verwijderd uit de monsters in de debinding fase, het genereren van een structuur met talrijke micro-sized poriën. Ter verwezenlijking van de uiteindelijke eigenschappen, zijn vervolgens de poederdoosjes gesinterd bij een temperatuur onder het smeltpunt van het materiaal. Met behulp van deze aanpak, de productie van materialen zoals siliciumnitride gesmolten siliciumdioxide, piëzo-elektrische keramiek, roestvrij staal, wolfraam carbide-cobalt, aluminiumoxide of titaandioxide²³^,²⁴^,²⁵ is met succes uitgevoerd elders.

Het gebruik van zeer gevulde polymere filamenten en het kenmerk van het proces eisen bepaalde in de materialen²¹. Goede compatibiliteit tussen de onderdelen van de kunststof binder en het poeder, die moet worden homogeen verspreid met behulp van samengestelde technieken bij temperaturen boven het smeltpunt van de organisch bindmiddel-componenten, zoals kneden moet worden verstrekt of schuintrekken rollen. Aangezien de solide gloeidraad fungeren als een zuiger in de printkop moet te duwen het gesmolten materiaal, zijn een hoge stijfheid en een lage viscositeit verplicht om het 3D-effect van het materiaal via het mondstuk met een typische diameter variërend van 0.3 tot 1.0 mm. Ondertussen, het materiaal moet beschikken over voldoende flexibiliteit en kracht om te worden gevormd als een gloeidraad die in de wachtrij kan worden geplaatst. Als u wilt combineren al deze eigenschappen terwijl het hebben van een hoge belasting van poeder, verschillende multi-component binder systemen geweest ontwikkeld²¹^,²²^,²⁶.

Naast het gebruik van voldoende binder formulering, heeft een nieuwe drijvende systeem gewerkt in dit werk. Algemeen, worden getande aandrijfwielen gebruikt voor het duwen van de gloeidraad via het mondstuk. Deze tanden kunnen schade aan de broze gloeidraad. Om de vermindering van de mechanische eisen van de gloeidraden en verhoging van de extrusie druk tijdens het FFF, werd het conventionele systeem van FFF van getande aandrijfwielen vervangen door een speciale dual gordel systeem. Hoge wrijving en begeleiding is gegenereerd als gevolg van de lengte, de vorm en de speciale rubberen bekleding van de riemen. Het belangrijkste punt was preventie een knik van de gloeidraad via de printerkop. De gloeidraad moet helemaal naar het mondstuk worden geleid, geen vrije ruimte is toegestaan, en de nodige overgangen tussen de componenten moeten worden beschouwd.

Na het verlaten van de eenheid voeding, treedt de gloeidraad het mondstuk eenheid. De belangrijkste doelen waren ontworpen temperatuur beheer en gapless begeleiding. De ontwikkelde printerkop is afgebeeld in Figuur 1.

Figuur 1 : CAD model van de nieuwe riem aandrijving (boven) en het imago van de echte eenheid (onderkant). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Een andere grote uitdaging voor de productie van metaal-keramische componenten is de selectie van poeders die mede verwerking toestaan tijdens de thermische behandeling (vergelijkbare coëfficiënt van thermische uitzetting (CTE), temperatuur regimes en sfeer) worden aangepakt en met name de aanpassing van het gedrag van de krimp van beide materialen tijdens het sinteren stap. In dit werk, een poging te combineren Zirkonia is gemaakt en bewerkt roestvast staal 17-4PH omdat ze een vergelijkbare CTE (ca. 11 x 10^-6/K hebben) en op dezelfde voorwaarden kunnen worden gesinterd (reducerende waterstof atmosfeer, sinteren van temperatuur: 1350-1400 ° C). Voor het aanpassen van het gedrag van de krimp, is een speciale frezen-procedure voor de metaalpoeder echter vereist¹⁹^,²⁰.

Protocol

1. de gebruikte materialen Selectie van de componenten van de binder Selecteer de binder systeem volgens de criteria van zeer gevulde stoffen (poeder inhoud van ongeveer 50 vol. %) gedefinieerd voor FFF: hoge mechanische sterkte, voldoende stijfheid, lage viscositeit en flexibiliteit voor spooling. Een drastische vermindering van de flexibiliteit en de toename van de viscositeit kunnen worden verwacht door een hoge stevige laden.Opmerking: In deze studie een multi-component binder systeem werkte. De meerderheid van de componenten bestond uit een thermoplastisch elastomeer ter verbetering van de flexibiliteit en kracht. Een functionalized polyolefinen werd opgenomen als een ruggengraat ter verbetering van de hechting met het poeder. Ten slotte, stearinezuur (circa 5 vol. %) werd opgericht als een oppervlakteactieve stof voor goede spreiding van de poeders. Redenen van vertrouwelijkheid, kan niet meer informatie worden verstrekt. Selectie van poeders Kies een paar geschikte poeder voor de multi materiële benadering. Kies voor co verwerking van een keramiek en een metaalpoeder, materialen met de dezelfde uitzettingscoëfficiënt thermische (CTE) en hetzelfde krimp gedrag tijdens het sinteren in dezelfde sinteren sfeer. Selecteer de specifieke keramische rang. Kies tetragonale laagopbouw-gestabiliseerd zirkoonoxide het CTE en sinteren temperatuur vergelijkbaar zijn met speciale roestvast staal, alsmede de hoge taaiheid en buigsterkte van deze keramisch materiaal. Gebruik zirconia poeder met een specifieke oppervlakte van 7 ± 2 m2/g en een deeltjesgrootte van d50 = 0,5 µm. Selecteer de specifieke metalen rang. Gebruik RVS poeder als de geleidende en nodulair metaalachtig materiaal. Het materiaal moet een vergelijkbare CTE en een vergelijkbaar aantal sinteren temperaturen tot die van de zirconia onder een beschermende waterstof atmosfeer. Aanpassing van het sinteren van gedrag Ter verwezenlijking van een stressvrije mede sinteren, passen de temperatuur afhankelijke stam gedrag (krimp als gevolg van sinteren en thermische expansie) van beide typen poeder. Aangezien de zirconia poeder gebruikt hoge oppervlakte-energie als gevolg van de fijne deeltjes heeft, wijzigen de RVS poeder door de relatief grote metaaldeeltjes raffinage en verhoging van de dichtheid van de dislocatie door vervorming van de atomic rooster.Opmerking: Eerst tijdens uitputtingsslag frezen, de sferische stalen deeltjes zijn opnieuw vormgegeven in dunne en bros vlokken met een extreem hoge dislocatie dichtheid. Ten tweede tijdens de hoge energie frezen stap (planetaire bal frezen, PBM), zal de bros vlokken worden opgesplitst in zeer fijnmazig deeltjes met een verhoogde sinteren vermogen. Op deze manier, verhoogde sinteren activiteit van het metaalpoeder kan worden bereikt en de krimpende curve kan worden aangepast aan de kromme van zirconia, tonen slechts kleine verschillen19,20. Toepassing uitputtingsslag frezen (180 min) aan de sferische RVS deeltjes opnieuw in dunne en bros vlokken vorm te geven. Planetaire bal frezen (240 min) te breken de broze vlokken in zeer fijnmazig deeltjes met een hoogte-breedteverhouding van verminderde, maar een verhoogde sinteren vermogen uit te voeren. Het succes van de aanpassing evalueren Gebruik een staaf of optische dilatometer voor het meten van het gedrag van de krimp van geschikt materiaal compacts en vergelijken de resultaten. Gebruik van de inhoud van de volumetrische poeder van beide materialen is hetzelfde en de zelfde meting (verwarming tarieven, de sfeer, de maximum temperatuur, de nadruktijd) van toepassing. Als er een hoge mismatch in sinteren gedrag, pas de frezen parameters van het poeder van roestvrij staal. Fijnere poeders zal leiden tot een lagere sinter starten van temperatuur. Een langere uitputtingsslag frezen tijd zal leiden tot hogere energieën van de dislocatie en hogere krimp. Planetaire frezen leidt tot spattered poeder, die in de polymeer-verbindingen geldt.Opmerking: Het succes van de aanpassing wordt beïnvloed door de grondstoffen. Optimalisatie moet plaatsvinden. Een verschuiving van het sinteren krommen kan ook worden gegenereerd door fractioning de poeders. Fijn poeder breuken hebben de neiging om te beginnen met het sinteren bij lagere temperaturen. 2. de gloeidraad productie Voorbereiding van de grondstofOpmerking: Voor de voorbereiding van de zirconia grondstof, droog het poeder ter vermindering van de neiging om te doen samenballen27. Het drogen van het materiaal bij 80 ° C in een vacuüm oven voor een minimum van 1 uur. Vooraf samengestelde het materiaal in een roller rotoren mixer gedurende 30 minuten bij 60 rpm. Zorg ervoor dat de temperatuur hoog genoeg te smelten van alle onderdelen van de binder. De binder componenten voeren en wachten tot het smelten. Feed van het poeder in 5 ladingen opeenvolgende elke 5 min. Aan het einde van het proces, pak het materiaal uit de zaal in kleine stukjes te vergemakkelijken stap 2.1.2.Opmerking: Voor beide materialen, poeder gehalten van 47 vol. % werden gerealiseerd binnen de kunststof grondstoffen. Granulaat of pelletize het solide materiaal na afkoelen tot kamertemperatuur. Wanneer een molen snijden werkzaam is, voeren de materiële stukken geleidelijk. Wacht totdat de stukken binnen zijn kristalsuiker te voeren de volgende ones. Bij de uitgang van de schuurmachine kamer, gebruik een zeef met 4 x 4 mm kwadraat perforaties om korrels van voldoende grootte. Deze procedure is noodzakelijk voor een doorlopende invoer van de twin schroef extruder of schuintrekken roller (stap 2.1.3). Samengestelde het materiaal bij hoge shear tarieven ter verbetering van de spreiding, bijvoorbeeld in een mede draaiende twin schroef van de extruder (TSE) of in een schuintrekken roll extruder. Verzamelen van het materiaal met een transportband en afkoelen tot kamertemperatuur.Opmerking: In deze studie een mede draaiende twin schroef extruder werd gebruikt. De draaisnelheid van de schroef was ingesteld op 600 rpm en het temperatuursprofiel van een van 170 ° C in de ravitailleringszone tot 210 ° C in het sterven was gedefinieerd. Granulaat of pelletize het solide materiaal na afkoelen tot kamertemperatuur. Gebruik de procedure van 2.1.2 of pelletize van het materiaal aan het einde van de transportband met een pelletizer. Indien nodig, herhaal het proces totdat de pellets een lengte gelijk is of kleiner is dan 4 mm hebben. Figuur 2 : Gloeidraad productielijn. Het materiaal is warm geperst op een gecontroleerde manier door de regulering van de extrusie snelheid en temperatuur. Daarna wordt het verzameld en gedreven door een transportband en trek-eenheid. De diameter van de gloeidraad wordt gemeten en als de waarden binnen het gewenste bereik zijn, de gloeidraad in de wachtrij is geplaatst. Voor het regelen van de afmetingen van de gloeidraad, moeten de trekken en spooling snelheden geleidelijk worden aangepast. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Gloeidraad extrusieOpmerking: Figuur 2 toont een schema van het productieproces voor de voorbereiding van de gloeidraad en variabele parameters die bepalen van de diameter van de gloeidraad op de bodem. De gloeidraad is verzameld door een transportband en getrokken door het optreden van twee paren van teller roterende rollen. De diameter en ovality waarden worden gemeten in een laser meting apparaat en worden de procesparameters aangepast voor het regelen van de geometrie van de gloeidraad. Het materiaal is tot slot opgeslagen op spoelen. De productie van filamenten met een constant aantal dimensies is essentieel voor de herhaalbaarheid van het proces, aangezien de volume stroom in FFF afhankelijk van de geometrie van de gloeidraad is. Diepte van het materiaal bij 30 t/min bij een temperatuur boven het smeltpunt van de componenten van de binder. Voor een goede beheersing van de druk en gloeidraad kwaliteit, door een enkele schroef extruder met een mondstuk diameter van minstens 1,75 mm te gebruiken.Opmerking: Voor kleine hoeveelheden materiaal, een hoge druk capillaire rheometer kan worden gebruikt in de materiële ontwikkelingsfase. Niettemin kan een slechte dimensionale kwaliteit van de gloeidraad worden verwacht.Opmerking: Stap 2.1 en 2.2.1 kunnen worden gecombineerd in een voldoende twin schroef extrusieproces. De geëxtrudeerde materiaal verzameld. Gebruik een transportband afkoelen van de geëxtrudeerde materiaal te verzamelen. Lucht of water koeling elementen worden verlangd bij het gebruik van hoge extrusie snelheden. Meten en controleren van de afmetingen van de gloeidraad. Voor een bepaalde extrusie snelheid, geleidelijk reguleren de transportband en trekken snelheden als u wilt aanpassen van de afmetingen van de gloeidraad (daling van de transportband en trekken van snelheden voor een hogere diameter). Het produceren van draden met een diameter bereik van 1.70 tot 1,80 mm en kleiner dan 0,10 mm ovality.Opmerking: De ovality-waarde wordt gedefinieerd als het verschil tussen de maximale en minimale diameters. Voor een perfect ronde filament, moet een ovality van nul worden verkregen. Spoel het materiaal. Een extra spoolen eenheid (Figuur 2) kan worden geplaatst aan het einde van de transportband voor automatische spooling. 3. additieve vervaardiging van groene onderdelen Onderzoek naar de optimale procesparameters Voordat u gaat afdrukken, commerciële segmenteringshulplijnen software te gebruiken. Deze software kan worden toegepast op de afdrukparameters instellen en voor het genereren van de g-code voor het afdrukapparaat uit een 3D-CAD-model. Voor afdrukken, kunt u overwegen de volgende essentiële parameters: bed temperatuur voor bed hechting Printsnelheid van verschillende materialen verschillende print temperatuur voor constante materiaalstroom controle van de koelventilator ter ondersteuning van de solidificatie van gedrukte deel temperatuur voor betere hechting tussen lagen afdrukken retractie parameters te vermijden lekt en het gebruik van een “eerste pijler” verschillende materiaalstroom verzekeren van hetzelfde onderdeel breedte van verschillende materialen AM van test onderdelen AM van groene monsters met een commerciële 3D-printer uitvoeren (Zie Tabel van materialen). Single-materiaal test onderdelen voordat u afdrukt multi materiële onderdelen vervaardigen. Een mogelijke afwijking van de sproeiers in de printersoftware verhelpen voordat ze productie multi materiële componenten. Één component productie Printkop 1 met de gloeidraad van de zirconia en printkop 2 met de RVS-filament laden. Gebruik voor beide draden, een printkop snelheid van 10 mm/s en print bed temperatuur van 20 ° C. Stel de temperatuur van de printkop van zirconia op 220 ° C en roestvrij staal tot 240 ° C.Opmerking: Als een eerste test geometrie sample, arduinen werden vervaardigd voor de enkele materialen en verschillende sandwich setup is gekozen voor de multi materiële component. Alle groene onderdelen had de uiteindelijke afmetingen van 15 x 15 mm en gevarieerde dikte 1-3 mm en met een laagdikte van 0,25 mm werden vervaardigd. De printkop temperatuur kan worden gevarieerd om te bereiken van de gewenste stroombaarheid van de grondstoffen. Het verhogen van de temperatuur leidt tot een verlaging van de viscositeit. De optimale afdrukken temperaturen van de twee materialen kunnen verschillen. Multi materiële productie Vervaardiging van multi materiële componenten door afgewisseld met twee of drie verschillende lagen, bijv., 1 mm roestvrij staal / 1 mm Zirkonia / RVS 1 mm of 1 mm Zirkonia / 1 mm roestvrij staal / 1 mm Zirkonia.Opmerking: In multi-component afdrukken kan het zeer nuttig zijn voor het gebruik van een “eerste pijler” voor scherpe en nauwkeurige materiële overgangen. Bij het wijzigen van de printerkop, zijn een paar millimeter van de gloeidraad nodig totdat het materiaal de gebruikte nozzle vult te warm worden geperst, wat leidt tot hiaten. Het uiterlijk van het deel is daarom niet zo goed als het zou kunnen zijn. U kunt dit probleem voorkomen, de “eerste pijler” naast het deel afdrukken, kan dit worden ingesteld in de software. Een laag van de eerste pijler (rechthoekige toren, Figuur 3) zal eerst worden afgedrukt bij het wijzigen van de sproeier, om ervoor te zorgen dat de verstuiver primer en gereed is voor afdrukken voordat u verdergaat met de deel lagen. Optimalisatie van de productie Een “modder-shield gebruiken” indien nodig; Dit is een afgedrukte dunne muur rond de component (Figuur 4). Nadat de printerkop voor de tweede component buiten het deel verandert, hebben de verstuiver dat deze muur oversteken als het van de toren wordt verplaatst. Alle daaraan vastzittende materiaal zal worden geschild af van het mondstuk op dit schild en de precisie van materiële depositie op het gedeelte dat moet worden afgedrukt kan worden verhoogd.Opmerking: Verdere optimalisaties met betrekking tot de haalbare kwaliteit zijn mogelijk door fijnere aanpassingen van de stroom, de breedte van de extrusie en de multiplier van extrusie, ervan uitgaande dat de diameter van de gloeidraad constant is. Figuur 3 : Productieproces voor metaal-keramische component met toren structuur. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 4 : Virtuele afdrukken van een onderdeel met de omringende modder-shield. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. 4. debinding en sinteren van componenten Uitvoeren van debinding in twee opeenvolgende stappen. Eerst, solvent extractie en vervolgens thermische behandeling te ontleden de residuele binder-componenten uitvoeren. Voeren van solvent extractie met de gedrukte groene delen met behulp van cyclohexaan bij 60 ° C. Dekking van de monsters met genoeg cyclohexaan en behandelen voor 8 h. overwegen brand veiligheidsaspecten bij het uitvoeren van deze stap. Een gehalte aan oplosbare binder van ongeveer 7-9 PM % zal hier worden verwijderd.Opmerking: Toepassing van een solvent extractie leidt tot verminderd opzwellen effecten tijdens de latere thermaldebinding. Uitvoeren van thermische debinding in een debinding oven in een sfeer van argon ter bescherming van de materialen van vermindering (opgetreden onder stikstof atmosfeer) of oxidatie. Gebruik een maximumtemperatuur van 440 ° C en tarieven van de verschillende verwarming 5 ° C/h à 150 ° C/h. Toepassing te karakteriseren of het debinding gedrag van beide grondstoffen optimaliseren, een Thermogravimetrische analyse onder stikstof stromen tot 600 ° C om de juiste verwarming tarieven. Verrichten sinteren in een reducerende atmosfeer van 80% argon en 20% waterstof in een wolfraam van hoge-temperatuur-oven. Gebruik van verwarming tarieven 3 ° C/min. à 5 ° C/min. tot een maximumtemperatuur van 1,365 ° C. Koel na een Nadruktijd van 3 h, de oven tot kamertemperatuur.

Representative Results

De best passende resultaten voor roestvrij staal sinteren gedrag werden verkregen met een uitputtingsslag frezen tijd van 180 minuten en een planetaire bal molen (PBM) frezen 240 minuten. Figuur 5 toont een SEM-foto van de onbehandelde poeder (links), de misvormde deeltjes na de uitputtingsslag frezen (midden) en de gehakte deeltjes na de PBM frezen stap (rechts). Figuur 5 : Onbehandelde RVS < 38 µm (D90) (links), RVS poeder na uitputtingsslag frezen (midden) en RVS poeder na PBM frezen (rechts) Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Het sinteren gedrag van de initiële en volwitte stalen poeder worden vergeleken met het sinteren gedrag van het poeder Zirkonia in Figuur 6, alle gemeten met een optische dilatometer. Figuur 6 : Dilatometric curven van de zirconia poeder (TZ-3 jaar-SE) en het roestvrij staal poeder (17-4PH) in de oorspronkelijke toestand en na een behandeling van de high-energy frees van het roestvrij staal poeder. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. De verbetering van de mechanische eigenschappen van de grondstoffen in de hoge shear compounding stap werd gekenmerkt de zirconia grondstof. Geproduceerd in een samengestelde Macrostap voor 75 min in een roller rotoren mixer (RM) grondstof werd vergeleken met degene die worden geproduceerd door de in het protocol beschreven methode. Door samensmelting van filamenten waren geëxtrudeerd een hogedruk capillaire rheometer met een dobbelsteen van 1,75 mm diameter, een zuiger-snelheid van 1 mm/s en een temperatuur van 190 ° C. De gloeidraden werden verzameld met een transportband en getest met een universele treksterkte testen machine. Ten minste 5 herhalingen werden uitgevoerd per materiaal. Figuur 7 geeft een vergelijking van beide materialen betreffende de ultieme treksterkte (UTS) en de rek bij UTS de snijlijn modulus. Figuur 7 : Invloed van de samengestelde methode in de mechanische eigenschappen van de grondstof zirconia. Grondstof werd nog verergerd op een interne roller mixer (RM) of in combinatie met een mede draaiende twin schroef stap (TSE). De kracht, de flexibiliteit en de stijfheid van de gloeidraden geproduceerd met een capillaire rheometer werden bepaald met behulp van de gemiddelde waarde en de correspondent standaardafwijking van de ultieme treksterkte (UTS), de rek bij UTS en de snijlijn modulus, respectievelijk. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. In Figuur 8, de diameter waarden verkregen tijdens de productie van de draden gemaakt van zirconia (links) en roestvrij staal (rechts) grondstoffen worden gepresenteerd. De diameter van de gloeidraad, geëxtrudeerde werd opgenomen tijdens het productieproces via één-schroef extrusie. Voor de zirconia filamenten, kan een goede beheersing van de afmetingen worden bereikt met een gemiddelde diameter van 1,75 mm en een standaarddeviatie van 0,02 mm. Voor de gloeidraad met het gemodificeerde RVS poeder, werd een hogere variabiliteit van de gemiddelde gloeidraad diameter waargenomen. Een mogelijke reden hiervoor zou een inhomogene deeltje distributie binnen de grondstof die voortvloeien uit de bloedplaatjes-achtige vorm van de metalen deeltjes (Figuur 5). In dit geval een groter aantal meetpunten werden gevonden buiten het gewenste bereik van 1,75 mm ± 0,05 mm, en de waarde van de gemiddelde diameter was 1.74 mm en een standaard variant van 0.03 mm. Voor beide soorten filamenten waren de ovality-waarden aanzienlijk kleiner is dan de limiet van 0,1 mm. Figuur 8 : Histogrammen van de diameter van de gloeidraad voor het bestudeerde materiaal. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 9 ziet u de geschikte metaal en Zirkonia gloeidraden voor de vervaardiging van groene sandwich structuren met de samenstelling staal-Zirkonia-staal (links) en Zirkonia-staal-Zirkonia (rechts). Figuur 9 : Groen staal-Zirkonia-staal (links) en Zirkonia-staal-Zirkonia onderdelen (rechts) addiditief vervaardigd door FFF. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Als gevolg van het soortgelijk systeem van de binder van beide materialen is het mogelijk om te fuseren bepaalde lagen aan een monolithische composiet deel. Een grotere ronde gevormde deel met scherpe overgangen wordt weergegeven in Figuur 10. Figuur 10 : Structuur met scherpe overgangen tussen Zirconia en roestvrijstalen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 11 ziet u andere groene single – en multi – anti-material onderdelen dat verder verwerkt. Figuur 12 toont een zuivere zirconia steekproef aan de linkerkant, het midden toont een steekproef van zuiver roestvrij staal, en tot slot een gesinterd en goed aangesloten bij staal-keramische composiet is afgebeeld op de rechterkant. Figuur 11 : Groene analysemonsters vervaardigd door FFF; boven: Zirkonia-staal-composieten met roestvrij staal op de top, Midden: RVS, bodem: zirconia. Raster vak 5 mm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 12 : Gesinterd zirconia monster (links), gesinterd RVS monster (midden), en gesinterd Zirkonia-roestvrij staal-composite (rechts). Alle schalen in mm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. In Figuur 13, een typische structuur van FFF-componenten met neusbeschermer (of sub omtrek) tussen twee gedeponeerde filamenten getoond, die het gevolg is van een gewone snijden (gereedschap pad) en de continue manier van materiële afzetting. Figuur 13 : Typische structuur van FFF-componenten die voortvloeien uit het snijden en continu materiële depositie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Door het verhogen van de extrusie-multiplier in de segmenteringshulplijnen software, die tot een hoger volume depositie leidt, kan de sub omtrek worden verlaagd, alsmede door het hulpprogramma paden aan te passen. Niettemin, als gevolg van het hoge gehalte aan deeltjes in de gloeidraden, het is duidelijk dat het gedrag van de depositie van gewone afdrukken van thermoplasten verschilt. Daarom is het wenselijk dat een wijziging van de software te sluiten dergelijke gebreken. Na oplosmiddel debinding, thermische debinding en latere sinteren, alle verschillende monsters toonde geen aanzienlijke vervorming of opgeblazen gevoel. De gesinterde pure zirconia en roestvrij staal van FFF exemplaren hebben een goede geometrische stabiliteit zowel met als zonder druksterkte laden en ze doen niet gesp. De totale massa verlies was 14,8-14,9%, met vermelding van volledige debinding. De metaal-keramiek-monsters bleek een goede macroscopische hechting van beide materialen. Het massa verlies na het sinteren van de composieten bleek te zijn van 14,1-14,4%, waarin ook een volledige debinding. Verdere analyse en proces aanpassingen zullen volgen. De elektronenmicroscoop karakterisering van de composieten is bedoeld om inzicht in de kwaliteit van de samengestelde. De gewenste vorming van de samengestelde heeft plaatsgevonden met succes zoals weergegeven in Figuur 14. Figuur 14 : SEM-beeld van de microstructuur in de interface van de metal-keramiek waaruit blijkt dat het materiaal gezamenlijke. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. De resultaten tonen aan dat een veelbelovende aanpak voor de vervaardiging van metalen keramische composieten met behulp van FFF genereren van elektrisch geleidend en elektrisch isolerende eigenschappen in één component. Bovendien wordt de uitvoering van keramische delen in metalen omgevingen mogelijk te wijten aan het goede materiaal band en lasbaarheid van het roestvast staal. Binnen de EU werden project verwarming apparaten vervaardigd door FFF met een elektrisch geleidende pad gemaakt van roestvrij staal in een niet-geleidende ZrO2 matrix. Figuur 15 toont de gesinterde monsters. Deze multi materiële componenten moeten worden geanalyseerd en getest in de toekomst. Figuur 15 : Gesinterd verwarmingselementen gemaakt van zirconia en roestvrij staal Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 16 en Figuur 17 de nieuwe printkop met twee hoofden van de FFF-afdrukken en twee T3DP-printing heads weergeven als CAD-model (Figuur 16), alsmede ten uitvoer gelegd in het apparaat van de FFF (Figuur 17). Een uitdaging is controle van de output voor beide systemen. Voor de micro-verstrekking van eenheden, is de output gecontroleerd door de frequentie van een piëzo-gedreven zuiger in plaats van de stepper motors snelheid voor de riem stations binnen de hoofden van de FFF-afdrukken. De interactie tussen beide apparaten moet in de toekomst worden getest. Figuur 16 : CAD model van nieuwe printkop met twee hoofden van de FFF-afdrukken en twee T3DP-printing heads. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 17 : Afbeelding van nieuwe printkop met twee hoofden van de FFF-afdrukken en één T3DP-printing hoofd (links). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Discussion

De zirconia en roestvrij staal gebruikt hier zijn zeer geschikt voor de co sinteren van metaal-keramische onderdelen vanwege de vergelijkbare CTE, sinteren van temperatuur en sinteren van sfeer. Het sinteren gedrag van de zirconia en de grondstoffen van roestvast staal kan worden aangepast door de behandeling van het roestvrij staal poeder (Figuur 9) met succes. Met behulp van de genoemde materialen en methoden, is het mogelijk voor de vervaardiging van macroscopische defect-vrije delen door FFF voor de eerste keer. De auteurs kennis, is geen andere vergelijkbare AM methode bekend voor de vervaardiging van dergelijke onderdelen met uitzondering van T3DP¹⁹^,²⁰. Één aanvraag voor metalen keramische onderdelen wordt weergegeven in Figuur 17, die is een verwarmingselement met een elektrisch geleidende lus roestvast staal in een isolerende Zirkonia-matrix.

Een van de belangrijkste uitdagingen voor de FFF van metalen en keramische onderdelen is de dramatische toename van de stijfheid en de broosheid van de gloeidraden vanwege het hoge gehalte aan vaste stof. Daarom was de selectie van de juiste binder componenten een belangrijke factor voor het welslagen van het project. Bovendien, kunnen de kracht en flexibiliteit van de draden worden verbeterd door het gebruik van een hoge shear mengen techniek (Figuur 7). Volgens eerdere studies met zeer gevulde systemen²⁸, kan deze verbetering worden veroorzaakt door een betere spreiding van het poeder en de vermindering van de agglomeraat²⁹^,³⁰.

Het onderzoek en de aanpassing van de extrusie, trekken en spoolen snelheden tijdens het productieproces van de gloeidraad mag de productie van zeer deeltje gevulde draden met de juiste afmetingen. Andere parameters zoals de temperatuur verdeling binnen de extruder, alsmede het gebruik van koelingsapparaten aanzienlijk beïnvloed de kwaliteit van de gloeidraad en werden zorgvuldig gekozen.

Beide draden werden verwerkt in het FFF-apparaat met succes. De hechting tussen de grondstoffen bleek te zijn zeer goed in de groene Braziliaanse (Figuur 7-9). Alleen sommige kleine ongevuld volumes werden weergegeven, die zijn typisch voor een stand van de techniek FFF-proces (Figuur 13). Tot slot deze essentiële volumes met thermoplastische materialen het FFF-apparaat was uitgerust met twee micro verstrekking units, bekend van T3DP¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,³¹^,³², die Laat de afzetting van enkele druppels te sluiten de onvoldoende gevulde volumes, evenals de vervaardiging van fijnere structuren (Figuur 14 en 15).

Geometrische beperkingen van de complexiteit van het onderdeel of de resolutie zijn sterk afhankelijk van de instellingen van de printer het continu materiaal stromen evenals de gebruikte segmenteringshulplijnen software. De regels voor het ontwerp en de resulterende deel verschijning hooguit blijken te zijn vergelijkbaar met het gebruik van de FFF van kunststof.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit project heeft financiering ontvangen van de Europese Unie Horizon 2020 onderzoeks- en innovatieprogramma onder Grant overeenkomst No 678503.

Materials

Zirconia	TZ-3YS-E	Tosoh, Europe B.V.
Stainless steel	UNS17400 -38 µm	Sandvik Osprey Ltd.
Table of Devices and Software
slicing software	Simplify 3D	Simplify 3D, USA
roller rotors mixer	Plasti-Corder PL2000	Brabender GmbH & Co. KG, Germany
3D printer	model Ceram	HAGE, Austria
cutting mill	SM200	Retsch Gmbh Germany
corotating extruder	ZSE 18 HP-48D	Leistrutz Extrusionstechnik GmbH, Germany
laser measurementdevice	Diagnostic Laser 2010	SIKORA AG, Germany
capillary rheometer	Rheograph 2002	Göttfert Werkstoff-Prüfmaschinen GmbH, Germany
single screw extruder	FT-E20T-MP-IS	Dr. Collin GmbH, Germany
tungsten furnace	Hochtemperatur-Wolframofen WOHV 250/300-1900V	MUT Advanced Heating GmbH
debinding furnace	Retorten-Entbinderungsofen RRO 280 / 300-900V	MUT Advanced Heating GmbH
attrition mill	PE 1.4	Erich NETZSCH GmbH & Co. Holding KG, Germany
PBM (planetary ball mill)	PM 400	Retsch Gmbh, Germany

References

. . ISO/ASTM 52900:2015(en): manufacturing – General principles – Terminology. , (2015).
Lakshminarayan, U., Orgrydiziak, S., Marcus, H. L. Selective laser sintering of ceramic materials. Proceedings of Solid Free-Form Symposium. , 16-26 (1990).
Lauder, A., Cima, M. J., Sachs, E., Fan, T. Three dimensional printing: Surface finish and microstructure of rapid prototyped components. Materials Research Society Symposium Proceedings. 249, 331-336 (1992).
Chartier, T., Badev, A., Somiya, S. Rapid Prototyping of Ceramics. Handbook of Advanced Ceramics 2nd ed. , (2013).
Travitzky, N., et al. Additive Manufacturing of ceramic-based material. Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).
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).
Felzmann, R., Gruber, S., Mitteramskogler, G., Tesavibul, P., Boccaccini, A. R., Liska, R., Stampfl, J. Lithography-based additive manufacturing of cellular ceramic structures. Advanced Engineering Materials. 14, 1052-1058 (2012).
Fischer, U. K., et al. Lichthärtende Keramikschlicker für die stereolithographische Herstellung von hochfesten Keramiken. (light curing ceramic suspensions for stereolithography of high-strength ceramics). European patent. , (2012).
Homa, J. Rapid Prototyping of high-performance ceramics opens new opportunities for the CIM industry. Powder Injection Moulding International. 6 (3), 65-68 (2012).
. France’s 3DCeram partners with Japanese firm Sinto to expand ceramic 3D printing in Asia and US Available from: https://www.3ders.org/articles/20171006-frances-3dceram-partners-with-japanese-firm-sinto-to-expand-ceramic-3d-printing-in-asia-and-us.html (2017)
Scheithauer, U., et al. CerAMfacturing – Development of ceramic and multi-material components by additive manufacturing methods for personalized medical products. 3D printing in Medicine. 2 (1), (2017).
Kieback, B., Neubrand, A., Riedel, H. Processing techniques for functionally graded materials. Materials Science and Engineering – A. 362 (1-2), 81-106 (2003).
Scheithauer, U., et al. Ceramic-Based 4D Components: Additive Manufacturing (AM) of Ceramic-Based Functionally Graded Materials (FGM) by Thermoplastic 3D Printing (T3DP). Materials. 10 (12), 1368 (2017).
Moritz, T., et al. Material- and process hybridization for multifunctional ceramic and glass components. Ceramic Applications. 5 (2), 66-71 (2017).
Scheithauer, U., Schwarzer, E., Moritz, T., Michaelis, A. Additive Manufacturing of ceramic heat exchanger – Opportunities and limits of the Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM). Journal of Materials Engineering And Performance: Design, Process, Characterization, Evaluation. 27 (1), 14-20 (2018).
Schwarzer, E., Götz, M., Markova, D., Stafford, D., Scheithauer, U., Moritz, T. Lithography-based ceramic manufacturing (LCM) – Viscosity and cleaning as two quality influencing steps in the process chain of printing green parts. Journal of the European Ceramic Society. 37 (16), 5329-5338 (2017).
Scheithauer, U., Schwarzer, E., Richter, H. J., Moritz, T. Thermoplastic 3D Printing – An Additive Manufacturing Method for Producing Dense Ceramics. Journal of Applied Ceramic Technology. 12 (1), 26-31 (2014).
Scheithauer, U., Bergner, A., Schwarzer, E., Richter, H. -. J., Moritz, T. Studies on thermoplastic 3D printing of steel-zirconia composites. Journal of Materials Research. 29 (17), 1931-1940 (2014).
Scheithauer, U., et al. Additive Manufacturing of Metal-Ceramic-Composites by Thermoplastic 3D-Printing. Journal of Ceramic Science and Technology. 06 (02), 125-132 (2015).
Agarwala, M. K., Bourell, D. L., Beamen, J. J., Marcus, H. L., Crawford, R. H., Barlow, J. W., et al. Filament Feed Materials for Fused Deposition Processing of Ceramics and Metals. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. 7, (1996).
Kukla, C., Herranz, G., Ferrari, B., Cabrera, J. M., et al. Fused Filament Fabrication (FFF) of PIM Feedstocks. Actas del VI Congreso Nacional de Pulvimetalurgia y I Congreso Iberoamericano de Pulvimetalurgia 2017, 1st ed. , 1-6 (2017).
Agarwala, M. K., et al. Structural Ceramics by Fused Deposition of Ceramics. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. , (1995).
Agarwala, M. K., Bourell, D. L., Beamen, J. J., Marcus, H. L., Crawford, R. H., Barlow, J. W., et al. Fused Deposition of Ceramics and Metals: An Overview. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. , (1996).
Onagoruwa, S., Bose, S., Bandyopadhyay, A., Bourell, D. L., Beaman, J. J., Crawford, R. H., Marcus, H. L., Wood, K. L., Barlow, J. W. Fused Deposition of Ceramics (FDC) and Composites. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. , (2001).
McNulty, T. F., Shanefield, D. J., Danforth, S. C., Safari, A. Dispersion of Lead Zirconate Titanate for Fused Deposition of Ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 82 (7), 1757-1760 (1999).
Mutsuddy, B. C., Ford, R. G. . Ceramic injection moulding. , (1995).
Edirisinghe, M. J., Evans, J. R. G. Compounding Ceramic Powders Prior to Injection Moulding. Proceedings of the British Ceramic Society. 38, 67-80 (1986).
Suri, P., et al. Effect of mixing on the rheology and particle characteristics of tungsten-based powder injection molding feedstock. Materials Science and Engineering: A. 356, 337-344 (2003).
Venkataraman, N., et al. Mechanical and Rheological Properties of Feedstock Material for Fused Deposition of Ceramics and Metals (FDC and FDMet) and their Relationship to Process Performance. Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium 1999. , 9-11 (1999).
Scheithauer, U., et al. Investigation of Droplet Deposition for Suspensions Usable for Thermoplastic 3D Printing (T3DP). Journal of Materials Engineering and Performance. 27 (1), 44-51 (2017).
Weingarten, S., et al. Multi-material Ceramic-Based Components – Additive Manufacturing of black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing (T3DP). Journal of Visual Experiments. , (2018).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Abel, J., Scheithauer, U., Janics, T., Hampel, S., Cano, S., Müller-Köhn, A., Günther, A., Kukla, C., Moritz, T. Fused Filament Fabrication (FFF) of Metal-Ceramic Components. J. Vis. Exp. (143), e57693, doi:10.3791/57693 (2019).

Automatically Generated