Fabricación de filamento fundido (FFF) de componentes de Metal-cerámica

1. materiales utilizados Selección de los componentes de la carpeta Seleccione el sistema de carpeta según los criterios de compuestos muy llenados (contenido de polvo de aproximadamente 50% vol.) definido para FFF: alta fuerza mecánica, suficiente rigidez, baja viscosidad y flexibilidad para la cola. Una drástica reducción de la flexibilidad y el aumento de la viscosidad se pueden esperar por un alta carga sólido.Nota: En este estudio, se empleó un sistema de varios componentes de la carpeta. La mayoría de los componentes consistió en un elastómero termoplástico para mejorar la flexibilidad y la fuerza. Una poliolefina funcionalizada se incluyó como una columna vertebral para mejorar la adherencia con el polvo. Finalmente, el ácido esteárico (alrededor de 5% en vol.) fue incorporado como un surfactante para la buena dispersión de los polvos. Por razones de confidencialidad, no se divulgó más información. Selección de polvos Elegir un par de polvo adecuado para el abordaje de múltiples material. Para el co-procesamiento de una cerámica y un polvo de metal, elegir los materiales con el mismo coeficiente de expansión térmica (CTE) y el mismo comportamiento de contracción durante la sinterización en la misma atmósfera de sinterización. Seleccione el grado específico de cerámica. Elegir zirconia tetragonal yttria-estabilizado el CTE y la temperatura de la sinterización es comparable de aceros inoxidable especiales, así como la alta dureza y resistencia a la flexión de este material cerámico. Utilizar polvo de zirconia con un área superficial específica de 7 ± 2 m2/g y un tamaño de partícula de d50 = 0.5 μm. Seleccione el grado específico de metal. Use polvo de acero inoxidable como el material metálico conductor y dúctil. El material debe tener un CTE similar y una gama similar de sinterización a temperaturas a las de la zirconia en una atmósfera protectora de hidrógeno. Ajuste del comportamiento de la sinterización Para lograr un libre de estrés conjuntamente de la sinterización, ajustar el comportamiento de la cepa dependiente de temperatura (contracción debido a la expansión térmica y sinterización) de ambos tipos de polvo. Puesto que el polvo del zirconia usado tiene alta energía superficial debido a las partículas finas, modificar el polvo de acero inoxidable por refinar las partículas de metal comparativamente grandes y aumentando la densidad de dislocación por la deformación del enrejado atómico.Nota: Primero durante el fresado del desgaste, las partículas esféricas de acero son re-formas en escamas delgadas y frágiles con una densidad de dislocación extremadamente alta. En segundo lugar durante la etapa de molienda de alta energía (planetario de bolas molienda, PBM), las escamas frágiles se divide en partículas de grano muy fina con una mayor capacidad de sinterización. De esta manera, mayor actividad de sinterizado de polvo metálico se puede llegar y la curva de disminución se podría ajustar a la curva del zirconia, mostrando sólo pequeñas diferencias19,20. Aplicar desgaste fresado (180 min) a las partículas esféricas de acero inoxidable para remodelar en escamas delgadas y frágiles. Realizar planetarios de bolas molienda (240 min) para romper los frágiles copos en partículas de grano muy fina con una proporción menor pero una mayor capacidad de sinterización. Evaluar el éxito del ajuste Utilice una barra o un dilatómetro óptico para medir el comportamiento de contracción de pactos de material adecuados y comparar los resultados. Usar el contenido de polvo volumétricos de ambos materiales es la misma y aplicar la misma medida (tarifas, atmósfera, temperatura, tiempo de permanencia de la calefacción). Si hay un gran desajuste en el comportamiento de sinterización, ajustar los parámetros de fresado del polvo de acero inoxidable. Polvos más finos conducirá a un sinter inferior a partir de temperatura. Un desgaste más largo tiempo de molienda conducirá a energías más altas de la dislocación y mayor contracción. Molienda planetaria lleva a polvo ensangrentado, que se aplica en compuestos de polímeros.Nota: El éxito del ajuste está influenciado por las materias primas. Optimización debe ser llevado a cabo. Un desplazamiento de las curvas de sinterización puede también ser generado por fraccionamiento de los polvos. Fracciones de polvo fino tienden a comenzar la sinterización a temperaturas más bajas. 2. filamento producción Preparación de materia primaNota: Para la preparación de la materia prima del zirconia, el polvo para reducir su tendencia a aglomerarse27seco. Secar el material a 80 ° C en una estufa de vacío por un mínimo de 1 hora. Los compuesto del material en un mezclador de rotores de rodillo durante 30 minutos a 60 rpm. Asegúrese de que la temperatura es suficientemente alta para fundir todos los componentes de la carpeta. Introducir los componentes de la carpeta y esperar a que la fusión. Alimentar el polvo en 5 cargas consecutivas cada 5 min. Al final del proceso, extraer el material de la cámara en pedazos pequeños para facilitar el paso 2.1.2.Nota: Para ambos materiales, contenido de polvo de 47% vol. se realizaron dentro de las materias primas de termoplásticas. Granular o granular el material sólido después de enfriarse a temperatura ambiente. Cuando se emplea un molino de corte, introducir poco a poco las piezas de material. Espere hasta que las piezas de dentro son granuladas para introducir los siguientes. A la salida de la cámara de molienda, utilizar un tamiz con perforaciones de 4 x 4 mm cuadrado para obtener gránulos de tamaño adecuado. Este procedimiento es necesario para una alimentación continua del extrusor de doble tornillo o de cizalla rodillo (paso 2.1.3). El material en el alto esquileo las tasas para mejorar la dispersión, por ejemplo, en un extrusor de tornillo doble Co giratorio (EET) o en una cizalla rodillo estirador compuesto. Recoger el material con una cinta transportadora y enfriar a temperatura ambiente.Nota: En este estudio, se utilizan un extrusora de doble tornillo Co giratorio. La velocidad de rotación del tornillo se estableció en 600 rpm y una temperatura de 170 ° C en la zona de alimentación hasta 210 ° C en el dado se definió. Granular o granular el material sólido después de enfriarse a temperatura ambiente. Utilice el procedimiento de 2.1.2 o granular el material al final de la cinta transportadora con una peletizadora. Si es necesario, repita el proceso hasta que los gránulos tienen una longitud igual o inferior a 4 mm. Figura 2 : Filamento producción línea. El material se extruye en forma controlada por la regulación de la velocidad de la protuberancia y la temperatura. Luego, es recogido y conducido por una cinta transportadora y Acarree-apagado la unidad. Se mide el diámetro del filamento y si los valores están dentro del rango deseado, es enrollar el filamento. Para regular las dimensiones del filamento, las velocidades de arrastre y diferidas deben ajustar progresivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Extrusión de filamentosNota: La figura 2 muestra un esquema del proceso de fabricación para la preparación de filamentos y los parámetros variables que definen el diámetro del filamento en la parte inferior. El filamento es recogido por una cinta transportadora y tirado por la acción de dos pares de contador de rotación de los rodillos. Los valores de diámetro y ovalidad se miden en un dispositivo de medición de láser, y se ajustan los parámetros de proceso para regular la geometría del filamento. El material se almacena finalmente en carretes. La producción de filamentos con una gama constante de dimensiones es fundamental para la repetibilidad del proceso, puesto que el caudal de aire en FFF es dependiente de la geometría del filamento. Extruir el material a 30 rpm a una temperatura por encima del punto de fusión de los componentes de la carpeta. Para un buen control de la calidad de la presión y el filamento, utilizar un estirador de solo tornillo con un diámetro de boquilla de al menos 1,75 mm.Nota: Para cantidades pequeñas de material, un reómetro capilar de alta presión puede emplearse en la fase de desarrollo material. Sin embargo, se puede esperar una pobre calidad dimensional del filamento.Nota: Pueden combinarse pasos 2.1 y 2.2.1 en un proceso de extrusión de tornillo gemelo adecuada. Recoger el material extruido. Utilice una cinta transportadora para recoger y enfriar el material extruido. Aire o elementos de refrigeración por agua puede ser necesario cuando se usa extrusión alta velocidad. Medir y controlar las dimensiones del filamento. Para una velocidad de extrusión especial, regular progresivamente la cinta transportadora y tirando de velocidades para ajustar las dimensiones del filamento (disminución del transportador y tirando de velocidades para un mayor diámetro). Producen filamentos con una gama de diámetro de 1,70 a 1,80 mm y ovalidad inferior a 0,10 mm.Nota: El valor de la ovalidad se define como la diferencia entre los diámetros máximos y mínimos. Un filamento perfectamente redondo, debe obtenerse un ovalo de cero. El material del carrete. Una unidad adicional de la cola (figura 2) puede colocarse al final de la cinta transportadora para enrollado automático. 3. aditivo fabricación de componentes verdes Investigación de los parámetros óptimos Antes de imprimir, usar software de corte comercial. Este software se puede aplicar para establecer los parámetros de impresión y para generar el código g para el dispositivo de impresión de un modelo CAD 3D. Para la impresión, tenga en cuenta los siguientes parámetros esenciales: temperatura del lecho para la adherencia de la cama velocidad de impresión de diversos materiales variando la temperatura de impresión para flujo de material constante control de ventilador para apoyar a solidificación del filamento impreso temperatura para mejor adherencia entre capas de impresión parámetros de la retracción para evitar la exudación y el uso de un «primer pilar» variando el flujo del material para asegurar el mismo ancho de hilo de diferentes materiales SOY de prueba de componentes Realizar soy de muestras verdes con una impresora 3D comercial (véase Tabla de materiales). Fabricación de componentes de prueba de material solo antes de imprimir componentes múltiples materiales. Corregir cualquier desalineación posible de los inyectores en el software de la impresora antes de fabricar componentes de múltiples materiales. Fabricación de un solo componente Carga el cabezal de impresión 1 con el filamento de zirconia y cabezal 2 con el filamento de acero inoxidable. Para ambos filamentos, utilice una velocidad de cabezal de impresión de 10 mm/s e impresión temperatura de 20 ° C. Ajuste la temperatura del cabezal de impresión de zirconia a 220 ° C y el acero inoxidable a 240 ° C.Nota: Como una primera muestra de geometría, cuboids fueron fabricados por los solos materiales y configuración sándwich diferente ha sido elegido para el componente de múltiples material. Todos los componentes de verdes tenían finales dimensiones de 15 x 15 mm y de espesor variado 1-3 mm y fueron fabricadas con un espesor de capa de 0.25 mm. La temperatura del cabezal de impresión puede variar para conseguir la fluidez deseada de las materias primas. Aumento de la temperatura conduce a una reducción de la viscosidad. Las temperaturas óptimas de impresión de los dos materiales pueden ser diferentes. Fabricación de múltiples material Fabricación de componentes y materiales alternando con dos o tres capas diferentes, por ejemplo., acero inoxidable de 1 mm / Circonia de 1 mm / acero inoxidable de 1 mm o 1 mm zirconia / acero inoxidable de 1 mm / Circonia de 1 mm.Nota: En la impresión de varios componente, puede ser muy útil usar un “pilar principal” para las transiciones de material fuertes y precisas. Cuando se cambia el cabezal de impresión, a pocos milímetros del filamento son sea necesario hasta que el material llena la boquilla usada para ser sacado, lleva a las lagunas. Por lo tanto, no es tan bueno como podría ser el aspecto de la pieza. Para evitar este comportamiento, el “pilar principal” al lado de la parte de imprimir, se puede definir en el software. Una capa del primer pilar (torre rectangular, figura 3) se imprimirán primero al cambiar la boquilla, para asegurarse de que la boquilla esté preparado y listo para imprimir antes de continuar con las capas de la parte. Optimización de la fabricación Utilizar un “escudo de cieno” si es necesario; se trata de una pared fina impresa alrededor del componente (figura 4). Después de los cambios de la cabeza de impresión para el segundo componente fuera de la parte, la boquilla de cruzar este muro cuando se mueve desde la torre. Todo el material adherido se pela apagado de la boquilla en este escudo y puede aumentar la precisión de la deposición de material sobre la pieza a imprimir.Nota: Más optimizaciones en cuanto a la calidad alcanzable son posibles por ajustes más finos del flujo, el ancho de extrusión y el multiplicador de extrusión, suponiendo que el diámetro del filamento es constante. Figura 3 : Fabricación de componentes de metal-cerámica con estructura de la torre. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 4 : Impresión virtual de un componente con que exuda-escudo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 4. desligado y sinterización de los componentes Llevar a cabo desligado en dos pasos consecutivos. En primer lugar, realizar la extracción por solvente y tratamiento térmico luego para descomponer los componentes del ligante residual. Realizar la extracción por solventes con las partes verdes impresas usando ciclohexano a 60 ° C. Cubrir las muestras con suficiente ciclohexano y tratarlos para aspectos de seguridad de fuego de 8 h. considerar al realizar este paso. Un contenido de ligante soluble de unos 7-9% en peso se eliminarán aquí.Nota: Aplicar una extracción por solventes conduce a reduce hinchazón efectos durante la subsecuente thermaldebinding. Realizar desligado térmico en un horno de debinding en una atmósfera de argón para proteger los materiales de reducción (ocurrido bajo atmósfera de nitrógeno) o la oxidación. Usar una temperatura máxima de 440 ° C y velocidades de calentamiento diferente entre 5 ° C y 150 ° C por hora. Para caracterizar y optimizar el comportamiento debinding de ambas materias primas aplican un termogravimétrico análisis bajo nitrógeno flujo hasta de 600 ° C para evaluar tasas de calentamiento apropiado. Llevar a cabo en un ambiente de reducción de 80% argón y 20% de hidrógeno en un horno de tungsteno de alta temperatura de sinterización. Utilizar velocidades de calentamiento entre 3 ° C/min y 5 ° C/min para alcanzar una temperatura máxima de 1.365 ° C. Después de un tiempo de permanencia de 3 h, enfriar el horno a temperatura ambiente.