金属-セラミック部品の溶融フィラメント製作 (FFF)

1. 使用材料 バインダー コンポーネントの選択 高充填化合物 (約 50 巻 % の粉内容) FFF に対して定義されている条件に従ってバインダー システムを選択: 高強度、十分な剛性、低粘度、スプールの柔軟性。高固体荷重によって、柔軟性の大幅な削減と、粘度の増加が期待できます。注: この研究では、多成分のバインダー システムが採用されました。大半のコンポーネントは、柔軟性と強度を向上させる熱可塑性エラストマーから成っていた。機能性ポリオレフィンは、粉体との密着性を向上するためのバックボーンとして含まれていた。最後に、(およそ 5 巻 %) ステアリン酸は粉末の良好な分散性の界面活性剤として設立されました。機密保持上の理由から、詳細は公開できません。 粉体の選択 多素材のアプローチに適した粉末カップルを選択します。セラミックと金属粉の共同処理のため同じ焼結雰囲気中で焼結過程における熱膨張 (CTE) の同じ係数と同じ収縮挙動と材料を選択します。 特定のセラミック材種を選択します。CTE と特殊ステンレス鋼高靭性、このセラミック材料の曲げ強度に匹敵する焼結温度によるイットリア安定化ジルコニアを選択します。ジルコニア粉末を使用し 7 ± 2 m2/g の比表面積と d50粒径 0.5 μ m を =。 特定の金属のグレードを選択してください。導電性、延性金属材料としてステンレス鋼粉末を使用します。材料は、匹敵する CTE と焼結温度保護水素雰囲気下におけるジルコニアのそれらに同じような範囲が必要です。 焼結挙動の調整 焼結共同ストレス フリーを達成するために両方の粉末タイプの温度依存のひずみ挙動 (焼結・熱膨張収縮) を調整します。使用されるジルコニア粉は微細粒子により高い表面エネルギーがあるので、粒子の比較的大きい金属を精製し、原子の格子の変形による転位密度の増加によってステンレス鋼粉末を変更します。注: まず敵地内損耗によるフライス加工、中に鋼球、高転位密度が薄くて脆いフレークに再形。第二に高エネルギー加工手順 (遊星ボールミル法、PBM) で、脆いフレークに分割されます非常にきめの細かい粒子焼結能力の向上を。この方法で金属粉末焼結活性の上昇まで、縮小のカーブ差19,20だけを示すジルコニアの曲線に調整されます。 離職 (180 分) を再に薄くて脆いフレークを形成するステンレス鋼の球状粒子に加工を適用します。 減少のアスペクト比が焼結能力の向上と非常にきめの細かい粒子に脆いフレークを侵入する遊星ボールミル (240 分) を実行します。 調整成功を評価します。 適した材料成形体の収縮動作を測定し、結果を比較するロッドまたは光学式熱膨張計を使用します。同じ両方の材料の体積粉コンテンツを使用し、(料金、雰囲気、最高温度、滞留時間を加熱) 同じ測定を適用します。 焼結挙動の高の不一致がある場合は、ステンレス鋼粉末の加工パラメーターを調整します。細かい粉末は、低い焼結温度の開始に します。加工時間長い消耗戦は、高い転位エネルギーと高い収縮に します。自公転ミーリングは、鮮血の粉、ポリマー化合物に適用されるに します。注: 調整の成功は、原料によって影響されます。最適化を実施する必要があります。焼結曲線のシフトすることができます下で粉末を生成します。微粉末の分数は低い温度で焼結を開始する傾向があります。 2. フィラメント生産 原料の準備注: ジルコニア原料の準備、27を凝集する傾向を減らすために粉末を乾燥します。真空オーブンで 80 ° C で 1 時間の最小値のための材料を乾燥させます。 あらかじめ 60 rpm で 30 分間ローラー ローター ミキサーで材料を複合します。 温度が十分に高いすべてのバインダー成分を溶かすようにします。バインダー コンポーネントを紹介し、溶解するまで待ちます。5 分ごと 5 連続負荷で粉をフィードします。 プロセスの最後に、2.1.2 のステップを容易にする小さな断片に商工会議所から素材を抽出します。注: 両方の材料熱可塑性原料内 47 巻 % の粉内容が実現しました。 顆粒または固体材料を室温に冷却した後キーワードします。 切削工場が使用される場合は、徐々 に素材の部分を紹介します。内部の部分は次のものを導入する微粉末まで待ちます。 研削室の出口で十分なサイズの顆粒を得るため乗 4 × 4 mm ミシン目でふるいを使用します。この手順は、ツイン スクリュー押出機やせん断ローラー (ステップ 2.1.3) の連続的供給必要です。 複合分散を改善する高せん断速度における素材、例えば、共同回転ツイン スクリュー押出機 (東証) やせん断ロール押出機。コンベア ベルトの素材を収集し、室温まで冷却します。注: この研究では、共同回転ツイン スクリュー押出機が使用されました。スクリュー回転数は 600 rpm と温度プロファイルを 170 ° C から補給でまで設定金型で 210 ° C で定義されました。 顆粒または固体材料を室温に冷却した後キーワードします。2.1.2 のプロシージャを使用するか、ペレタイザーとベルトコンベアの端材をキーワードします。必要に応じて、ペレット長さが等しいまたは 4 mm 未満になるまで、プロセスを繰り返します。 図 2: フィラメント ライン。材料は、押出速度と温度の調節によって制御された方法で押し出されます。その後、それの収集し、コンベア ベルトと引取り装置によって駆動されます。フィラメントの直径を測定し、値が目的の範囲内の場合、フィラメントはスプールします。フィラメントの寸法を調整するためは、引っ張ると糸巻きの速度を徐々 に調整する必要があります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 フィラメント押出注:図 2は、フィラメントの準備のため製造工程と下部にフィラメントの直径を定義する変数パラメーターのスキームを示します。フィラメントはコンベヤー ベルトによって収集された、カウンターのローラーの回転の 2 つのペアのアクションによって引かれます。直径、楕円率の値はレーザー測定装置で測定され、フィラメント形状を規制するプロセスのパラメーターが調整されます。材料は、スプールに最後に格納されます。FFF の出来高のフローはフィラメント形状の依存しているので、寸法の一定範囲でフィラメントの生産はプロセスの再現性にとって重要です。 バインダー成分の融点以上の温度で 30 回転で材料を押し出します。圧力とフィラメントの品質の良い制御、ノズル直径 1.75 mm 以上の単一ねじ押出機を使用します。注: 材料の少量の高圧シリンダーは材料開発フェーズで使用できます。それにもかかわらず、フィラメントの三次元質の悪いが期待できます。注: 手順 2.1 と 2.2.1 は、十分なツイン スクリュー押出プロセスで結合できます。 押出された材料を収集します。コンベア ベルトを使用して収集し、押出された材料を冷やします。空気または水冷却要素を必要な高押出速度を使用する場合することができます。 測定し、フィラメントのディメンションを制御します。特定押出速度のため徐々 にコンベア ベルトを調節し、フィラメントの寸法を調整する速度を引っ張って (コンベアを減少、牽引速度の高い直径)。1.80 1.70 mm と楕円率 0.10 mm 未満の直径範囲でフィラメントを生成します。注: 楕円値は、最大値と最小直径の差として定義されます。完璧なラウンド フィラメントのゼロの楕円率を得なければなりません。 スプール素材。追加スプール ユニット (図 2) は、自動スプール用ベルトコンベアの終わりに配置できます。 3 緑成分の添加剤の製造 最適な工程パラメーターの検討 印刷前にスライスの商用ソフトウェアを使用します。印刷パラメーターを設定するのには、3 D CAD モデルの印刷デバイス用 g コードを生成する、このソフトウェアを適用できます。 印刷では、次の必須パラメーターを考慮してください。 ベッドの接着層温度 さまざまな素材の印刷速度 さまざまな印刷温度一定のマテリアル フロー 印刷された繊維の凝固をサポートするファンの制御 改良された接着層間温度を印刷します。 にじみ出ると「プライム柱」を使用して避けるために撤回パラメーター 異なる材料の同じ鎖幅を確保するためにさまざまなマテリアル フロー テスト コンポーネントの午前 商業の 3 D プリンターと緑サンプルの AM を実行 (材料の表を参照してください)。複数材料部品を印刷する前に単一素材テスト コンポーネントを製造してください。 複数材料部品を製造する前にプリンタ ソフトウェアでノズルの任意の可能な位置ずれを修正します。 1 つのコンポーネントの製造 プリント ヘッド ジルコニア フィラメントと 1 とステンレス鋼フィラメントとプリント ヘッド 2 をロードします。10 mm/s のヘッド スピードと印刷層温度 20 ° C の使用両方のフィラメントジルコニアのプリント ヘッド温度を 220 ° C およびステンレス鋼 240 ° c に設定します。注: 最初のテスト ジオメトリ サンプルとして直方体は単一材料の製造された、マルチマテリアル コンポーネントの別のサンドイッチ セットアップが選択されています。すべての緑コンポーネントは、最終的な寸法 15 mm × 15 mm と様々 な厚さの 1 〜 3 mm と 0.25 mm の層の厚さで製造されました。原料の必要な流動性を達成するために、プリント ヘッドの温度を変えることができます。温度を上げ、粘度の低減につながります。2 つの材料の最適な印刷温度が異なる場合があります。 マルチ材製造 交互に 2 つまたは 3 つの異なる層は、例えば複数材料部品の製造。、1 mm ステンレス/1 mm ジルコニア/1 mm ステンレス鋼または 1 mm ジルコニア/ステンレス 1 mm/1 mm ジルコニア。注: マルチ コンポーネントの印刷のこと非常にシャープかつ正確な材料遷移の「プライム柱」を使用すると便利です。プリント ヘッドを変更すると、フィラメントの数ミリが必要材料が、押し出されることに使用されるノズルをいっぱいになるまでのギャップに 。したがって、部品の外観はほど良いことはありません。この動作を回避するには、パーツの横にある「プライム柱」を印刷、これはソフトウェアで設定することができます。プライムの柱 (長方形タワー、図 3) の層ノズル、ノズルがプライムと一部層に進む前に印刷する準備ができてことを確認を変更するときは、最初に印刷されます。 製造の最適化 盾を使用、「にじみ出る-“必要な場合これはコンポーネント (図 4) の周りの印刷された薄い壁です。プリント ヘッド部品の外側 2 番目のコンポーネントを変更した後塔から移動するときに、この壁をクロス ノズルがあります。このシールドでノズルからすべて付着物質が剥離して印刷される部分に材料の蒸着の精度を高めることができます。注: 品質を達成に関するさらに最適化は、フィラメントの直径が一定と仮定すると流れ、押出幅、および押出乗数の細かい調整が可能。 図 3: 塔状構造物の金属-セラミック コンポーネントの製造工程です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 4: にじみ出るシールドを周囲のコンポーネントの仮想印刷します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 4. 脱脂工程と焼結部品 2 つの連続した手順で脱脂を行います。まず、溶媒抽出、および残留バインダー コンポーネントを分解するため、熱処理を実行します。 60 ° C でシクロヘキサンを使用して印刷された緑の部分と溶媒抽出を行うサンプルは十分なシクロヘキサンをカバーし、この手順を遂行した場合 8 h. 検討火災安全の側面のそれらを扱います。可溶性のバインダー量約 7-9 重量 % はここで削除されます。注: は、後続の thermaldebinding 中に効果を膨満感を減少につながる溶媒抽出を適用します。 (窒素雰囲気下で発生した) 還元や酸化から材料を守るためのアルゴン雰囲気脱脂炉熱脱脂を実行します。440 ° C と異なる昇温速度を 5 ° C/h と 150 ° C/h の間の最高温度を使用します。 特徴付ける両方の原料の脱脂の動作を最適化するには、適用する熱重量分析窒素下で流れ適切な加熱速度を評価する 600 ° C まで。 80% アルゴンおよび高温のタングステン炉で 20% の水素の還元性雰囲気中で焼結を行います。1,365 ° C の最大温度に達するまで 3 ° C/分と 5 ° C/分間加熱率を使用します。3 h の滞留時間後、室温に窯を冷やして下さい。