Este estudo mostra multi material fabricação aditiva (estou) usando fundidos fabricação de filamento (FFF) de aço inox e zircônia.
Cerâmicas técnicas são amplamente utilizadas para aplicações industriais e de pesquisa, bem como para bens de consumo. Hoje, a procura de geometrias complexas com personalização diversas opções e métodos de produção favorável está aumentando continuamente. Com fabricação de fundidos de filamento (FFF), é possível produzir componentes grandes e complexos rapidamente, com alta eficiência material. Em FFF, um filamento contínuo de termoplástico é derretido em um bocal aquecido e depositado abaixo. A cabeça de impressão controlada por computador é movida para construir a forma desejada camada por camada. Investigações sobre impressão de metais ou cerâmica está aumentando cada vez mais na pesquisa e na indústria. Este estudo centra-se na fabricação de aditiva (AM) com uma abordagem multi material para combinar um metal (aço inoxidável) com uma cerâmica técnica (zircônia: ZrO2). Combinando estes materiais oferece uma ampla variedade de aplicações devido às suas diferentes propriedades elétricas e mecânicas. O livro mostra as principais questões na preparação do material e matéria-prima, desenvolvimento de dispositivos e impressão destes compósitos.
De acordo com ISO/ASTM, aditivo fabricação (AM) é o termo geral para tecnologias que criam objetos físicos com base em uma representação geométrica por adições sucessivas de material1. Portanto, essas tecnologias oferecem a possibilidade de fabricação de componentes com geometria extremamente complexa, que não podem ser atingidos por qualquer outra técnica de moldagem conhecida aos autores.
Materiais cerâmicos têm sido estudados desde o início do desenvolvimento das diferentes tecnologias AM no último trimestre do século2,3; no entanto, o aditiva fabricação de componentes cerâmicos não é estado da arte em contraste com o aditivo fabricação de componentes de polímero ou metal. Várias visões gerais sobre as tecnologias de AM usadas para componentes cerâmicos são dadas por Chartier et al 4, Travitzky et al 5 e Zocca et al 6, que podem ser classificados de acordo com o estado do material que é usado – materiais em pó, materiais líquidos e sólidos materiais4,5 , ou de acordo com o tipo de deposição de material e solidificação6 . Dispositivos de AM estão disponíveis que permitem que o aditiva fabricação de componentes cerâmicos densos e de alta qualidade com as propriedades desejadas para a maioria dos aplicativos7,8,9,10 , 11.
Produção de componentes cerâmicos requer processamento complexo, e isto estagnou o progresso na AM de cerâmica. No entanto, componentes cerâmicos são indispensáveis para especial de bens de consumo e dispositivos médicos e AM abre novos horizontes para a fabricação de novos componentes com geometrias “impossível”12. Para componentes de cerâmicas técnicas, um tratamento térmico subsequente dos componentes fabricados é necessário desde o AM shaping de cerâmica requer o uso de pó suspendido em ligantes orgânicos que precisam ser removidas (i. e., debinding) antes do pó é fundido juntos (ou seja, sinterização).
O AM de componentes múltiplos materiais ou multi-funcionais combina os benefícios do AM e funcionalmente classificados de materiais (MGF)13 em 4D-componentes baseados em cerâmica14. Materiais híbridos permitem combinações de propriedade como eletricamente condutivo/isolantes, magnético, não-magnético, dúctil/difícil ou diferentes colorações. Componentes do híbrido podem exibir funções de sensor ou atuador conhecidas de MEMS (micro sistemas eletromecânicos)15 também. Além disso, compostos de metal/cerâmica podem complementar juntando peças cerâmicas em máquinas desde que parceiros de aço soldáveis convencionais podem ser usados.
O projecto europeu cerAMfacturing (projecto UE CORDIS 678503) está desenvolvendo tecnologias de AM para componentes de material único, bem como uma abordagem completamente nova para AM de componentes múltiplos materiais, que permitirá a produção em série de personalizado e multifuncionais componentes para várias aplicações de12. Três diferentes baseados em suspensão AM técnicas são qualificadas para permitir que o AM de componentes de cerâmica-cerâmica, bem como metal-cerâmica. A utilização de técnicas baseadas em suspensão do AM promete desempenho componente melhorado em comparação com métodos baseados em pó. Porque a distribuição de partículas de pó em suspensão é mais homogênea e mais compacto do que em uma cama de pó, esses métodos de modelagem produzem maiores densidades de verdes, que resultam em componentes sinterizados com microestruturas densas e baixa rugosidade da superfície níveis12.
Junto com a cerâmica baseada em litografia fabricação (LCM)7,8,9,10,11,16,17, fundido fabricação de filamento (FFF) e termoplástico 3D-impressão (T3DP)12,14,18 estão sendo desenvolvidos. FFF e T3DP são mais adequados para o AM de componentes múltiplos materiais do que LCM devido à deposição selectiva e solidificação de determinado material em vez da pura seletiva solidificação do material depositado sobre toda a camada14 .
Um benefício adicional da FFF e T3DP em relação ao LCM é o uso de sistemas termoplásticos fichário em vez de foto-cura de polímeros. O sistema de fichário permite o processamento de pós, independentes de suas propriedades ópticas, tais como absorção, emissão e reflexão de ondas eletromagnéticas, por exemplo, escuros e brilhantes materiais (na escala visível), que é necessário para a produção de componentes de metal-cerâmica19,20. Além disso, o baixo investimento é necessário para o equipamento FFF desde uma grande variedade de dispositivos padrão estão disponíveis. Esta técnica torna-se econômico devido a alta eficiência material e os materiais recicláveis. Finalmente, o FFF é fácil upscale para peças grandes, desde que o processo se baseia em mover a cabeça de impressão em eixos.
Este trabalho apresenta os primeiros resultados da fabricação de compósitos metal-cerâmica usando FFF. Além disso, a combinação de técnica de unidades FFF e T3DP é apresentada, embora ele ainda está em desenvolvimento. No processo de FFF, filamentos de polímeros termoplásticos são derretidos e seletivamente expulso pela ação de dois elementos rotativos de contador. Uma vez que o material é extrudado através do bocal, ela se solidifica por resfriamento, permitindo a produção de componentes camada por camada. Para produzir componentes cerâmicos e metálicos finais, uma variante do processo tem sido desenvolvidos21,22,23,24,25,26. Os compostos poliméricos, conhecidos como ligantes, altamente estão cheias de um pó cerâmico ou metálico. Uma vez que a formação dos componentes tem sido conduzida usando a abordagem convencional da FFF, duas etapas adicionais são necessárias. Em primeiro lugar, os componentes poliméricos devem ser completamente retirados os espécimes na fase debinding, gerando uma estrutura com numerosos poros de tamanho reduzido. Para alcançar as propriedades finais, a compacta em pó posteriormente é sinterizadas a uma temperatura abaixo do ponto de derretimento do material. Usando essa abordagem, a produção de materiais tais como o nitreto de silício, sílica fundida, cerâmicas piezoelétricas, aços inoxidáveis, carboneto de tungstênio-cobalto, alumina ou dióxido de titânio23,24,25 Já com sucesso foram realizadas em outro lugar.
O uso de filamentos poliméricos altamente-cheia e a característica do processo de imponham certos requisitos em materiais21. Boa compatibilidade deve ser fornecida entre os componentes termoplásticos para encadernação e o pó, que deve ser distribuído homogeneamente usando técnicas de composição em temperaturas acima do ponto de fusão dos componentes aglutinante orgânico, tais como amassar ou cisalhamento de rolamento. Uma vez que o filamento contínuo tem de agir como um pistão na cabeça de impressão para empurrar o material fundido, uma alta rigidez e baixa viscosidade são necessários para permitir a extrusão do material através do bocal com diâmetros típicos que variam de 0,3 a 1,0 mm. Enquanto isso, o material deve possuir suficiente flexibilidade e força para ser moldado como um filamento que pode ser colocada em spool. Para combinar todas essas propriedades, tendo uma alta carga de pó, fichário de multi-componentes diferente sistemas têm sido desenvolvidos21,22,26.
Além do uso de formulação adequada de fichário, um novo sistema de condução foi empregado neste trabalho. Comumente, as rodas dentadas de unidade são usadas para empurrar o filamento através do bocal. Estes dentes podem danificar o filamento frágil. Para reduzir os requisitos mecânicos dos filamentos e aumentar a pressão de extrusão durante o processo FFF, o sistema convencional de FFF de rodas dentadas movimentação foi substituído por um sistema de correia dupla especial. Orientação e alta fricção é gerada devido o comprimento, a forma e o revestimento especial de borracha das correias. A questão mais importante era impedir qualquer flambagem do filamento através da cabeça de impressão. O filamento deve ser guiado até o bocal, não há espaço livre é permitido, e as transições necessárias entre os componentes devem ser considerados.
Depois de deixar a unidade de alimentação, o filamento de entrada na unidade de bocal. Os objetivos principais foram de gestão de temperatura projetado e orientação sem intervalos. A cabeça de impressão desenvolvida é mostrada na Figura 1.
Figura 1 : Modelo CAD da nova unidade de movimentação de correia (topo) e imagem da unidade real (parte inferior). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Outro grande desafio a ser dirigida para a produção de componentes de metal-cerâmica é a seleção dos pós que permitem processamento co durante o tratamento térmico (comparável coeficiente de expansão térmica (CTE), regimes de temperatura e atmosfera) e particularmente o ajustamento do comportamento de encolhimento de ambos os materiais durante a etapa de sinterização. Neste trabalho, uma tentativa é feita para combinar zircônia e modificado aço inoxidável 17-4PH, desde que eles têm uma CTE comparável (aproximadamente 11 x 10-6/k) e podem ser aglomerados em mesmas condições (reduzindo a atmosfera de hidrogênio, a temperatura de sinterização: 1350-1400 ° C). No entanto, para ajustar o comportamento de encolhimento, um processo de moagem especial para o pó metálico é necessário19,20.
A zircônia e aço inoxidável utilizados aqui são muito apropriados para a sinterização co de componentes de metal-cerâmica, por causa do CTE comparável, temperatura de sinterização e atmosfera de sinterização. O comportamento de sinterização do zircónio e as matérias-primas do aço inoxidável pode ser ajustado com sucesso pelo tratamento do pó de aço inoxidável (Figura 9). Usando os métodos e materiais mencionados, é possível fabricar peças de defeitos macroscópicas pela FFF pela primeira vez. Para o conhecimento dos autores, nenhum outro método AM comparável é conhecido por fabricar tais peças exceto T3DP19,20. Uma aplicação para componentes cerâmicos metais é mostrada na Figura 17, que é um elemento de aquecimento com um condução elétrica em loop aço inoxidável em uma matriz de zircônia isolante.
Um dos principais desafios para o FFF dos componentes metálicos e cerâmicos é o aumento dramático da rigidez e fragilidade dos filamentos devido ao alto teor de sólidos. Portanto, a seleção dos componentes do fichário certo foi um factor-chave para o sucesso do projeto. Além disso, a força e a flexibilidade dos filamentos podem ser melhoradas pelo uso de uma tesoura elevada mistura técnica (Figura 7). De acordo com estudos anteriores com sistemas altamente preenchido28, esta melhoria pode ser causada por uma melhor dispersão de pó e redução dos aglomerados29,30.
A investigação e o ajuste da extrusão, puxando e spool velocidades durante o processo de produção de filamento permitiram a produção de filamentos altamente cheio de partículas com dimensão adequada. Outros parâmetros como a distribuição de temperatura dentro da extrusora, bem como o uso de dispositivos de refrigeração significativamente influenciaram a qualidade do filamento e foram escolhidos com cuidado.
Ambos os filamentos foram processados no FFF-dispositivo com êxito. A adesão entre as matérias-primas foi encontrada para ser muito bom no estado verde (Figura 7-9). Apenas alguns pequenos volumes vazios eram visíveis, que são tipicamente por um processo de ponta FFF (Figura 13). Para fechar esses volumes críticos com materiais termoplásticos, o FFF-dispositivo foi equipado com duas unidades de dispensa micro conhecidas de T3DP18,19,20,31,32, que permitir que a deposição de gotículas única para fechar os volumes preenchidos insuficientes, bem como a fabricação de estruturas mais finas (Figura 14 e 15).
Restrições geométricas da complexidade de parte ou resolução são fortemente dependentes da configuração da impressora o material contínuo fluir bem como o software de corte utilizado. As regras de design e a aparência resultante de parte no máximo são encontrados para ser semelhante ao uso de FFF de plásticos.
The authors have nothing to disclose.
Este projeto recebeu financiamento do União Europeia Horizonte 2020 programa de investigação e inovação sob Grant acordo n 678503.
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 |