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

Изготовление (FFF) расплавленный накаливания металлокерамические компонентов

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

Это исследование показывает мульти материала аддитивного производства (AM) с помощью распыленных накаливания изготовление (FFF) из нержавеющей стали и циркония.

Abstract

Техническая керамика широко используются для промышленности и научных исследований, а также потребительские товары. Сегодня постоянно растет спрос на сложных геометрий с разнообразной настройки и благоприятных производственных методов. С изготовлением плавленого накаливания (FFF) это можно быстро производить большие и сложные компоненты с высокой эффективности использования материалов. В FFF непрерывной термопластичных накаливания плавится в подогревом сопла и хранение ниже. Управляемая компьютером печатающая головка перемещается для того, чтобы создать желаемую форму слой за слоем. Расследования в отношении печати металлов или керамики растут больше и больше научных исследований и промышленности. Это исследование посвящено аддитивного производства (AM) с несколькими материала подходом к объединить металла (нержавеющая сталь) с технической керамики (циркония: ZrO₂). Сочетание этих материалов предлагает широкий спектр приложений из-за их различные электрические и механические свойства. Документ показывает основные вопросы в рамках подготовки материалов и сырья, разработка устройств и печать этих композитов.

Introduction

Согласно ISO/ASTM Аддитивные производства (AM)-это общий термин для технологий, которые создают физические объекты, геометрическое представление на основе последовательных добавление материала¹. Следовательно эти технологии открывают возможность изготовления компонентов с чрезвычайно сложной геометрии, которые не могут быть достигнуты другими формирование метод, известный для авторов.

Керамические материалы были изучены с раннего развития различных технологий AM в последние четверть века²^,³; Однако аддитивного производства керамических компонентов не является состояние искусства в отличие от аддитивного производства полимерной или металлических компонентов. Некоторые обзоры о AM технологии, используемые для керамических компонентов выдаются Шартье и др. ⁴, Travitzky и др. ⁵ и Zocca и др. ⁶, которые могут быть классифицированы в соответствии состояния материала, который используется – порошковые материалы, жидких материалов и твердых материалов⁴^,⁵ или вид материала осаждения и затвердевания⁶. AM устройства доступны, которые позволяют аддитивного производства плотной и высокого качества керамические компоненты с нужными свойствами для большинства приложений⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰ ^, ¹¹.

Производство керамических компонентов требует сложной обработки, и это застопорился прогресс в AM керамики. Тем не менее керамические компоненты необходимы для специальных потребительских товаров и медицинские приборы и AM открывает новые горизонты для изготовления новых компонентов с геометрией «невозможное»¹². Для технических керамических компонентов, требуется последующей термической обработки промышленных компонентов с утра формирование керамики требует использования порошков, приостановлено в органических связующих, которые должны быть удалены (т.е., выжигание) до порошок плавленного вместе (то есть, обжиг).

УТРА мульти материала или мульти-функциональных компонентов сочетает в себе преимущества утра и функционально градуированные материалы (КЖО)¹³ в керамической компоненты на базе 4 D-¹⁴. Материал гибриды позволяют комбинации свойства такие как электрически проводящие/изоляционные, магнитные/немагнитные, пластичный/жесткий или различных расцветок. Гибридные компоненты могут exhibit датчик или привод функции, известный от MEMS (микро электромеханических систем)¹⁵ а. Кроме того металл/Керамические композиты могут дополнять присоединения керамических деталей машин с обычными Свариваемая сталь партнеров может быть использована.

Европейский проект cerAMfacturing (проект ЕС CORDIS 678503) разрабатывает AM технологии компонентов одного материала, а также совершенно новый подход для AM нескольких компонентов, которые позволят серийного производства индивидуальных и Многофункциональные компоненты для различных приложений¹². Три различных подвеска-AM методы являются квалифицированными разрешить AM керамика керамика, а также металлокерамические компонентов. Использование методов, основанных на подвеска AM обещает компонент улучшения производительности по сравнению с методами на основе порошка. Потому что распределение частиц порошка в подвеска более однородной и более компактным, чем в порошок постели, эти формирования методы дают более высокой плотности зеленый, приводящие к спеченные компонентов с плотной микроструктуры и низкой шероховатости поверхности ¹²уровней.

Наряду с литографии на основе керамики производства (LCM)⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹⁶^,¹⁷, склеенный накаливания изготовление (FFF) и ¹⁴^,¹²^,¹⁸ для термопластичных 3D-печати (T3DP) в настоящее время разрабатываются. FFF и T3DP больше подходят для утра мульти материальных компонентов чем LCM из-за избирательного осаждения и затвердевания определенного материала вместо чисто селективного отверждения материала, нанесенного на весь слой¹⁴.

Дополнительным преимуществом FFF и T3DP, по сравнению с LCM является использование систем термопластичных связыватель вместо фото отверждения полимеров. Связыватель система позволяет обрабатывать независимо от их оптических свойств, таких как поглощение, выбросов и отражение электромагнитных волн, например, темные и светлые материалы (в видимом диапазоне), которые необходимы для производства порошков металло керамических компоненты¹⁹^,²⁰. Кроме того низкий уровень инвестиций необходим для FFF оборудование с большим количеством стандартных устройств доступны. Этот метод становится экономичным благодаря высокой эффективности материалов и вторсырья. Наконец FFF легко высококлассные для больших частей, поскольку этот процесс опирается на перемещение печатающей головки на осях.

В этом документе представлены первые результаты производство металло керамических композитов с использованием FFF. Кроме того представлен технический сочетание FFF и T3DP единиц, хотя это все еще в стадии разработки. В процессе FFF нитей из термопластичных полимеров растаял и выборочно экструдированный действием двух счетчиков вращающихся элементов. После того, как материал выдавливается через сопло, он затвердевает при охлаждении, позволяя производство компонентов слой за слоем. Производить окончательный керамических и металлических компонентов, вариант процесса был развитых²¹^,^,²²²³^,²⁴^,²⁵^,²⁶. Полимерных соединений, известных как связующие, высоко заполнены с керамической или металлический порошок. После того, как формирование компонентов было проведено с помощью традиционного подхода FFF, два дополнительных действий не требуется. Во-первых полимерные компоненты должна быть полностью удалена из образцов на debinding этапе, создавая структуру с многочисленными микро размера поры. Для достижения окончательного размещения, порошок компактов впоследствии спеченные при температуре ниже точки плавления материала. Используя этот подход, производство материалов, таких как нитрид кремния, кварцевое, пьезоэлектрической керамике, нержавеющие стали, карбида вольфрама и кобальта, глинозем или двуокиси титана²³^,²⁴^,²⁵ был успешно проведен в других местах.

Использование высокой заполнены полимерных нитей и характеристика процесса устанавливают определенные требования в материалы²¹. Хорошая совместимость должна предоставляться между компонентами термопластичных вяжущего и порошок, который должны быть равномерно распределены рецептуры методами при температурах выше точки плавления органических связующих компонентов, таких как замешивать или сдвига прокатки. Так как прочной нити накала должен действовать как поршень в печатающей головки нажать расплавленного материала, высокую жесткость и низкую вязкость требуются для включения выдавливания материала через сопло с Типичные диаметры от 0,3 до 1,0 мм. Тем временем материал должен обладать достаточно гибкости и силы, чтобы быть сформировано как накаливания, которая может быть помещен в очередь. Чтобы объединить все эти свойства, имея высокую загрузку порошка, различные многокомпонентные подшивку системы были разработаны²¹^,²²^,²⁶.

Помимо разработки адекватных вяжущего новая система вождения был нанят в этой работе. Обычно зубчатый диск колеса используются для буксировки накаливания через сопло. Эти зубы могут повредить хрупкие нити накала. Для того, чтобы снизить механические требования нитей и увеличить давление экструзии во время процесса FFF, системе обычных FFF зубчатый привод колес была заменена системой Специальный двойной ремень. Высоким коэффициентом трения и руководство генерируется из-за длины, формы и Специальное резиновое покрытие поясов. Наиболее важным вопросом предотвращение любой выпучивание накаливания через печатающей головки. Нити накала должны руководствоваться все пути к насадке, Допускается нет свободного места, и необходимые переходы между компонентами должны быть рассмотрены.

После выхода из блока питания, накаливания входит блок сопла. Основными целями были разработаны температуры руководство и без пауз. На рисунке 1показано развитых печатающей головки.

Рисунок 1 : Модель CAD нового ремня привода (вверху) и изображения реального устройства (внизу). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Еще одна большая проблема решаться производство металло керамических компонентов является выбор порошков, которые позволяют совместно обработки во время термической обработки (сопоставимые коэффициент теплового расширения (CTE), температурные режимы и атмосферы) и особенности корректировка усадка поведения обоих материалов во время спекания шага. В этой работе, попытка решения об объединении циркония и изменение нержавеющей стали 17-4РН, поскольку они имеют сопоставимые CTE (приблизительно 11 x 10-6/k) и может быть спеченные на тех же условиях (восстановительной атмосфере водорода, температуру спекания: 1350-1400 ° C). Однако для корректировки поведения усадка, фрезерные специальные процедуры для металлический порошок является требуется¹⁹^,²⁰.

Protocol

1. используемые материалы Выбор компонентов связующего Выберите системе связующего по критериям высоко заполненные соединений (порошок содержание приблизительно 50% vol.) определены для FFF: высокая механическая прочность, достаточно жесткости, низкая вязкость и гибкость для буферизации. Резкое снижение гибкости и увеличение вязкости можно ожидать высокий сплошной нагрузка.Примечание: В этом исследовании, работал систему многокомпонентных вяжущего. Большинство компонентов состояла из термопластичного эластомера для повышения гибкости и прочности. Функционализированных полиолефиновые был включен в качестве основы для улучшения сцепления с порошком. Наконец стеариновая кислота (около 5 vol. %) была включена в качестве сурфактанта для хорошее рассеивание порошков. По соображениям конфиденциальности не могут быть раскрыты дополнительные сведения. Выбор порошков Выберите пару подходящих порошок для нескольких материальный подход. Для совместной обработки керамических и металлический порошок, выберите материалы с таким же коэффициентом термического расширения (КТР) и то же поведение усадки при спекании в том же спекания атмосфере. Выберите конкретные керамического сорта. Выберите тетрагональная оксидом иттрия стабилизированный циркония CTE и температурой спекания, сопоставимые с специальные нержавеющие стали, а также высокой ударной вязкостью и прочность на изгиб керамического материала. Используйте порошок диоксида циркония с удельной площади поверхности 7 ± 2 м2/г и размер частиц d50 = 0,5 мкм. Выбор конкретного металла класса. Порошок из нержавеющей стали используйте в качестве проводящих и пластичного металлического материала. Материал должен иметь сопоставимые CTE и аналогичный спектр спекания температур для тех из циркония под защитным содержание водорода в атмосфере. Корректировка спекания поведение Для достижения стресс свободной совместно спекания, скорректировать поведение зависит от штамма температуры (усадке спекания и теплового расширения) обоих типов порошок. Поскольку порошок диоксида циркония, используемый высокой поверхностной энергии из-за мелких частиц, измените порошок из нержавеющей стали путем переработки сравнительно крупных металлических частиц и увеличения плотности дислокаций деформации атомные решетки.Примечание: Сначала во время фрезерования истощение, сферических частиц стали вновь формы в тонкие и ломкие хлопья с чрезвычайно высоким дислокации плотностью. Во-вторых на шаге высокой энергии фрезерные (Планетарные шаровые фрезерные, PBM), ломкие хлопья будет разбито на очень мелкозернистой частиц с повышенной способностью спекания. Таким образом повышение активности спекания металлического порошка можно добраться и сокращения кривой могут быть скорректированы для кривой циркония, показаны только небольшие различия19,20. Применение отсева, фрезерные (180 минут) частиц сферической нержавеющей стали вновь сформировать в тонкие и ломкие хлопья. Выполняйте Планетарные шаровые, фрезерные (240 мин) проникнуть очень мелкозернистой частицы с снижением пропорции, но увеличение спекания способность хрупких хлопья. Оценивать успех перестройки Использование стержня или оптический дилатометр измерить поведение усадки подходящего материала компактов и сравнить результаты. Используйте объемные порошка содержание обоих материалов одинакова и применить же измерения (Отопление ставки, атмосфера, максимальная температура, время пребывания). Если существует несоответствие высокой спекания поведение, отрегулируйте параметры фрезерования нержавеющей стали порошка. Тонких порошков приведет к нижней агломерата, начиная с температуры. Больше истощение мукомольного времени приведет к более высоких энергий вывихов и выше усадки. Планетарные фрезерования приводит к Кровавая порошок, который применяется в полимерных соединений.Примечание: Успех перестройки зависит от сырья. Должны проводиться оптимизация. Перераспределение спекания кривых может также быть порожденных фракционирование порошки. Мелкодисперсный порошок фракций, как правило, начать спекания при более низких температурах. 2. накаливания производства Подготовка сырьяПримечание: Для подготовки сырья циркония, сухой порошок для уменьшения ее тенденция агломерат27. Сухой материал при 80 ° C в вакуумной печи как минимум на 1 час. Предварительно составного материала в смесителе роторов ролик на 30 минут при 60 об/мин. Убедитесь, что температура является достаточно высоким, чтобы расплавить все компоненты вяжущего. Описаны компоненты вяжущего и подождать до плавления. Кормить порошок в 5 подряд загружает каждые 5 мин. В конце процесса извлеките материал из камеры в мелкие кусочки для облегчения шаг 2.1.2.Примечание: Для обоих материалов, порошок содержание 47 vol. % были реализованы в рамках термопластичного сырья. Гранулят или гранулирование твердый материал после охлаждения до комнатной температуры. Когда используется режущая мельница, постепенно ввести материальной части. Подождите, пока частей внутри гранулированный представить следующий из них. На выходе размольной камеры используйте сито с 4 x 4 мм в квадрате перфорацией для получения гранул адекватного размера. Эта процедура необходима для непрерывной подачи двухшнековые экструдеры или сдвига роликовые (шаг 2.1.3). Составной материал ставкам высокого сдвига для улучшения дисперсии, например, в совместном вращающейся двухшнековые экструдеры (TSE) или в сдвига ролл экструдера. Собирать материал с конвейерной лентой и остудить до комнатной температуры.Примечание: В этом исследовании был использован совместно вращающиеся двухшнековые экструдеры. Скорость вращения винта был установлен 600 об/мин и температурного профиля из 170 ° C в зоне подачи до 210 ° C в умереть определялась. Гранулят или гранулирование твердый материал после охлаждения до комнатной температуры. Используйте процедуру 2.1.2 или гранулирование материал в конце транспортера с гранулятора. При необходимости, повторите процесс, пока гранулы имеют длину равной или меньше, чем 4 мм. Рисунок 2 : Линия по производству накаливания. Материал прессуется в контролируемым образом регулирование экструзионной скорости и температуры. После этого он собирается и обусловлен транспортера и Тянущее устройство. Диаметр нити измеряется и если значения находятся в пределах требуемого диапазона, наматывается нити накала. Регулировать размеры накаливания, вытягивая и очереди скорости должны быть постепенно скорректированы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Накаливания экструзииПримечание: На рисунке 2 показана схема производственного процесса подготовки накаливания и переменных параметров, которые определяют диаметр нити накала в нижней части. Нити накала собранные ленточный конвейер и вытащил под действием двух пар счетчика, вращающиеся ролики. Диаметра и овальности значения измеряются в лазерный измерительный прибор, и регулировать геометрию накаливания настраиваются параметры процесса. Наконец, материал хранится на катушках. Производство волокон с постоянным диапазоном измерений имеет решающее значение для повторяемость процесса, так как объем потока в FFF зависимой геометрии накаливания. Выдавливание материала на 30 об/мин при температуре выше точки плавления связующего компонентов. Для хорошего контроля давления и накаливания качества используйте одношнекового экструдера с соплом диаметром минимум 1,75 мм.Примечание: Для небольших количеств материала, Капиллярный реометр высокого давления могут быть использованы на этапе разработки материалов. Тем не менее можно ожидать, низкое качество мерных нити накала.Примечание: Шаги 2.1 и 2.2.1 могут быть объединены в процессе экструзии адекватных twin винт. Соберите экструдированный материал. Используйте ленточный конвейер для сбора и охлаждения экструдированный материал. Воздушного или водяного охлаждения элементов может потребоваться при использовании высокой экструзионной скорости. Измерять и контролировать размеры нити накала. Для конкретного экструзионной скорости, постепенно регулировать транспортера и потянув скорости, чтобы скорректировать размеры нитей накала (уменьшение конвейера и потянув скорости для диаметром выше). Производят нитей с кругом диаметром 1,70 до 1,80 мм и овальности менее 0,10 мм.Примечание: Значение овальности определяется как разница между максимальным и минимальным диаметром. Для идеально круглым нити должны быть получены овальности ноль. Катушка материал. Дополнительные спулинга блок (рис. 2) могут быть размещены в конце транспортера для автоматической намотки. 3. Аддитивные производства зеленых компонентов Исследование оптимальных технологических параметров Перед печатью, использование коммерческого программного обеспечения нарезки. Это программное обеспечение может применяться для настройки параметров печати и g-код для устройства печати из 3D-CAD модели. Для печати, рассмотрим следующие основные параметры: кровати температуры для кровать адгезии скорость печати различных материалов различной печати температура для постоянного потока материала контроль над охлаждающий вентилятор для поддержки затвердевания печатные ленты Температура печати для улучшения адгезии между слоями Параметры отзыва, чтобы избежать сочится и используя компонент «премьер» различных материальных потоков для обеспечения одинаковой ширины ленты различных материалов AM испытания компонентов Выполняют AM зеленый образцов с коммерческой 3D-принтер (см. Таблицу материалы). Производство компонентов теста сингл материал перед печатью компоненты различных материалов. Исправьте любые возможные смещения сопла в программном обеспечении принтера до изготовления компонентов мульти материала. Один компонент производства Загрузите печатающей головки 1 с цирконием накаливания и печатающей головки 2 с нержавеющей стали нити. Для обеих нитей используйте скорость печатающей головки 10 мм/сек и печати кровать температуре 20 ° C. Установка температуры печатающей головки циркония до 220 ° C и нержавеющей стали до 240 ° C.Примечание: Как первый геометрии образца, параллелепипеды были изготовлены для одного материалы и различные сэндвич установки был выбран для компонента мульти материала. Все зеленые компоненты были окончательные размеры 15 x 15 мм и разнообразной толщины 1-3 мм и были изготовлены с слоя толщиной 0,25 мм. Температура печатающей головки может быть изменено для достижения желаемого сыпучесть сырья. Повышение температуры приводит к уменьшению вязкости. Оптимальные температуры печати двух материалов могут отличаться. Мульти материального производства Производство компонентов нескольких материалов, чередующихся с двумя или тремя различными слоями, например., нержавеющая сталь 1 мм / циркония 1 мм / 1 мм из нержавеющей стали или циркония 1 мм / нержавеющая сталь 1 мм / циркония 1 мм.Примечание: В многокомпонентных печати, он может быть очень полезно использовать компонент «премьер» для острый и точный материал переходы. При изменении печатающей головки, несколько миллиметров накаливания необходимы до тех пор, пока материал заполняет используется сопло для экструдирования, ведущих пробелов. Таким образом внешний вид части не так хорошо, как это могло бы быть. Чтобы избежать этого поведения, печать «премьер столпа» около части, это может быть установлен в программном обеспечении. Слой премьер столба (прямоугольной башни, рис. 3) будут напечатаны впервые при смене насадки, обеспечить что сопло загрунтовать и готов к печати перед продолжением часть слоев. Оптимизация производства Используйте «Ил щит» при необходимости; это печатный тонкие стены вокруг компонента (рис. 4). После изменения печатающей головки для второго компонента вне части, сопла крест эту стену, когда она движется от башни. Все присоединившиеся материал будет снимают из сопла на этот щит, и может быть увеличена точность нанесения материала на части, чтобы быть напечатаны.Примечание: Дальнейшую оптимизацию относительно достижимых качества возможны по тонкой корректировки потока, ширина экструзии и экструзии множитель, предполагая, что диаметр нити накала является константой. Рисунок 3 : Производственный процесс для металло керамических компонента с башни структуры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 4 : Виртуальный печати компонента с окружающими Ил щит. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 4. выделение и спекания компонентов Осуществляют выжигание в два последовательных шагов. Во-первых выполняйте жидкостной экстракции, а затем термообработки для разложения компонентов остаточного связующего. Ведения жидкостной экстракции с печатных зеленых частей, с помощью циклогексан при температуре 60 ° C. Обложка образцов с достаточно циклогексан и лечить их за 8 ч. Рассмотрим пожарной безопасности аспекты при проведении этот шаг. Содержание растворимых вяжущего примерно 7-9% веса будет удален здесь.Примечание: Применение жидкостной экстракции приводит к уменьшить вздутие живота эффекты во время последующих thermaldebinding. Выполните, тепловой выжигание в debinding печи в атмосфере аргона с целью защиты материалов от сокращения (произошли в атмосфере азота) или окисления. Используйте при максимальной температуре 440 ° C и различных скоростях нагрева между 5 ° C/ч и 150 ° C/ч. Характеризовать или оптимизировать debinding поведение обоих видов сырья, применить термогравиметрический анализ под азота потока до 600 ° C для оценки соответствующих нагревания. Осуществляют спекания в сокращение атмосфере аргона 80% и 20% водорода в вольфрама высокой температуры печи. Использование скоростях нагрева между 3 ° C/мин и 5 ° C/мин до достижения максимальной температуры 1 365 ° C. После выдержки времени 3 h охлаждения печи до комнатной температуры.

Representative Results

Лучший монтаж результаты для нержавеющей стали спекания поведение были получены с истощение мукомольного времени 180 минут и Планетарная шаровая мельница (PBM), фрезерные 240 минут. Рисунок 5 показывает SEM-образ необработанной порошком (слева), деформированных частиц после выбытия, фрезерные (средний) и нарезанный частиц после шага фрезерования PBM (справа). Рисунок 5 : Неочищенные нержавеющая сталь < 38 мкм (D90) (слева), порошок из нержавеющей стали после выбытия фрезерные (средний) и порошок из нержавеющей стали после PBM, фрезерные (справа) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Спекания поведение первоначальный и фрезерованные стальной порошок сравниваются с поведением спекания циркония порошок в Рисунок 6, все измеряется с оптическим дилатометр. Рисунок 6 : Дилатометрические кривые циркония порошок (TZ-3г SE) и в начальном состоянии и после лечения высокоэнергетических фрезерования нержавеющей стали порошка из нержавеющей стали порошка (17-4РН). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Улучшение механических свойств сырья в рецептуры шаг сдвига характеризовался для циркония сырья. Сырья, производимых в одном шаге рецептуры 75 мин в смесителе роторов роликовые (RM) был по сравнению с методом, описанным в протоколе. Нити были экструдированного с использованием высокого давления Капиллярный реометр с умирают диаметр 1,75 мм, скорость поршня 1 мм/с и температуре 190 ° C. Нити были собраны с конвейерной лентой и протестированы с Универсальная испытательная машина на растяжение. По крайней мере 5 повторений были проведены за материал. Рисунок 7 показывает сравнение обоих материалов, касающихся прочности на растяжение (UTS), удлинение ОТС и секущая модуль. Рисунок 7 : Влияние рецептуры метода механических свойств сырья циркония. Сырья усугублялась внутренней Роликовый Смеситель (RM) или в сочетании с совместно вращающиеся twin винт шагом (TSE). Прочность, гибкость и жесткость нитей с Капиллярный реометр были определены с использованием среднее значение и стандартное отклонение корреспондент предел прочности на растяжение (UTS), удлинение на UTS и секущая модуль, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. На рисунке 8диаметр значения, полученные в ходе производства нитей, из диоксида циркония (слева) и представлены из нержавеющей стали (справа) сырья. Диаметр экструдированные нити был записан во время процесса производства через Одновинтовой экструзии. Для циркония нитей хороший контроль размеров может быть достигнуто с средний диаметр 1,75 мм и стандартное отклонение, равное 0.02 мм. Для нитей, содержащий измененный нержавеющей стали порошок было отмечено выше изменчивость диаметра средней нити накала. Возможной причиной этого может быть неоднородных частиц в результате тромбоцитов образную форму металлических частиц (рис. 5) сырья. В этом случае, большее число точек измерения были найдены за пределами желаемого диапазона 1,75 мм ± 0,05 мм и значение Средний диаметр был 1,74 мм с стандартным отклонением 0,03 мм. Для обоих видов нитей овальности значения были значительно меньше, чем 0.1 мм предел. Рисунок 8 : Гистограммы диаметра нити накала для исследуемых материалов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. На рисунке 9 показана подходящего металла и цирконий нити для производства структур зеленый сэндвич с состав стали цирконий сталь (слева) а также циркония сталь цирконий (справа). Рисунок 9 : Зеленый сталь цирконий сталь (слева) и цирконий сталь цирконий компоненты (справа) аддитивно производимый FFF. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Благодаря системе аналогичные связующего обоих материалов возможна предохранитель некоторых слоев монолитной составные части. Большие круглые формы часть с резкими переходами показан на рисунке 10. Рисунок 10 : Структура с резкими переходами между цирконий и нержавеющей стали. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. На рисунке 11 показан другие зеленый одним и несколькими material компоненты, которые были дальнейшей обработке. Рисунок 12 показан пример чистого диоксида циркония на левой стороне, середине показывает образец чистой нержавеющей стали, и наконец спеченные и хорошо присоединились сталь керамическая Композит изображен на правой стороне. Рисунок 11 : Зеленый испытательные образцы, производимые FFF; топ: Цирконий Сталь композитов с нержавеющей стали на вершине; средний: нержавеющая сталь; дна: цирконий. Сетку поле 5 мм. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 12 : Спекания циркония образец (слева), спеченная нержавеющая сталь (средний) и спекания циркония нержавеющая сталь композит (справа). Все весы в мм пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 13показана типичная структура FFF-компонентов с развилках (или вложенные периметра) между двумя осаждаются волокна, который привело к от обычных нарезки (инструмент путь) и непрерывный способ материала осаждения. Рисунок 13 : Типичная структура FFF-компонентов результате нарезки и непрерывной материала осаждения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Подняв множителя экструзионные в нарезки программного обеспечения, что приводит к более высокой объем осаждения, суб периметра может быть сокращение, а также путем адаптации инструмент дорожки. Тем не менее из-за высокое содержание частиц в нити, очевидно, что поведение осаждения отличается от обычной печати термопластов. Поэтому желательно модификацией программного обеспечения для закрытия таких дефектов. После растворителей выжигание, выжигание на тепловая и последующего спекания, все различные образцы показали никаких значительных деформаций или вздутие живота. Спеченные чистый цирконий и нержавеющей стали FFF образцы имеют хорошую стабильность геометрических и с и без сжимающей нагрузки, и они не пряжки. Общая потеря массы был 14,8-14,9%, указывающее полный выжигание. Металло керамических образцов показал хорошую адгезию макроскопических обоих материалов. Потеря массы после спекания композитов было обнаружено в пп.14.1-14.4%, что также указывает на полный выжигание. Дальнейшего анализа и корректировки будут следовать. Электронный микроскоп характеристик композитов предназначен обеспечить понимание качества композита. Желаемый формирования композита прошла успешно, как показано на рисунке 14. Рисунок 14 : SEM изображение микроструктуры в интерфейсе металло керамических, показаны материалы Объединенного. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Результаты показывают, что перспективный подход к производство металло керамических композитов с использованием FFF генерации электрических проводящих и электрических изолирующих свойств в один компонент. Кроме того осуществление керамических деталей в металлических среды становится возможным благодаря хорошей материала Бонд и свариваемость нержавеющей стали. В рамках ЕС устройства нагрева проекта были изготовлены FFF, содержащих электрические проводящие пути, изготовлена из нержавеющей стали в непроводящих ZrO2 матрицы. Рисунок 15 показывает спеченных образцов. Эти компоненты различных материалов должны быть проанализированы и проверены в будущем. Рисунок 15 : Спеченные нагревательных элементов из цирконий и нержавеющей стали Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 16 и Рисунок 17 показать новый печатающая головка с двумя FFF-печать глав и двух T3DP-печать как CAD-модели (рис. 16), а также реализовано FFF устройства (рис. 17). Одной из проблем является контроль вывода для обеих систем. Для микро-дозирующие устройства выход контролируется частота пьезо приводом поршня вместо шаговые двигатели скорость Ременные приводы в рамках главы FFF-печати. Взаимодействие обоих устройств должен быть испытан в будущем. Рисунок 16 : CAD модель новой печатающей головки с двумя FFF-печать глав и двух T3DP-печать. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 17 : Образ новой печатающей головки с двумя головами FFF-печать и одна голова T3DP-печать (слева). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Discussion

Цирконий и нержавеющей стали, используемые здесь очень подходят для совместно спекания металлокерамические компонентов из-за сопоставимые CTE, температуру спекания и обжига атмосферу. Спекания поведение цирконий и нержавеющей стали сырья могут быть скорректированы путем обращения порошка из нержавеющей стали (рис. 9) успешно. Используя указанные материалы и методы, можно производить макроскопических дефектов деталей FFF для в первый раз. Авторов известно без других сопоставимых AM метод известен для изготовления таких деталей, за исключением T3DP¹⁹^,²⁰. Одно приложение для металлических компонентов керамические показано на рисунке 17, который является нагревательный элемент с электрической петельные нержавеющей стали проведение в матрицу изолирующий циркония.

Одна из основных задач для FFF металлических и керамических компонентов является резкое увеличение жесткости и хрупкости нитей обусловлено высоким содержанием твердых. Таким образом выбор компонентов правой вяжущего является ключевым фактором для успеха проекта. Кроме того сила и гибкость этих нитей можно улучшить путем использования высокого сдвига, смешивание техника (рис. 7). По данным предыдущих исследований с высоко заполненных систем²⁸это улучшение может быть вызвано лучше порошок дисперсии и сокращение агломератов²⁹^,³⁰.

Расследование и корректировка экструзии, потянув и буферизации скорости во время процесса производства накаливания допускается производства высоко частиц заполнены нитей с правильного измерения. Другие параметры, как распределение температуры в экструдере, а также использование охлаждающих устройств значительно влияние на качество накаливания и были выбраны тщательно.

Обе нити были успешно обработаны в FFF-устройства. Адгезии между сырья оказалась очень хорошо в зеленом состоянии (рис. 7-9). Только некоторые небольшие незаполненные объемы были видны, которые, как правило, состояние искусства FFF процесса (рис. 13). Закрыть эти критические тома с термопластичных материалов, FFF-устройство был оборудован двумя микро дозирования единиц, известный из T3DP¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,^,³¹³², который разрешить осаждения одной капли, чтобы закрыть недостаточные заливкой томов, а также производство тонкой структуры (рис. 14 и 15).

Геометрические ограничения сложности часть или резолюции сильно зависит от настройки принтера, непрерывной материал потока используется нарезки программного обеспечения. Правила разработки и внешний вид Результирующая часть в большинстве находятся сходно с использованием FFF пластмасс.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Этот проект получил финансирование от Европейского союза Horizon 2020 исследований и инновационной программы под Грант соглашение 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