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

Erimiş filaman imalatı Metal-seramik bileşenler (FFF)

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

Bu çalışmada gösterir çok maddesel katkı imalat kullanıyorum erimiş filaman imalatı (FFF) Paslanmaz çelik ve zirkon.

Abstract

Teknik seramik tüketim malları yanı sıra, araştırma ve endüstriyel uygulamalar için yaygın olarak kullanılır. Bugün, çeşitli özelleştirme seçenekleri ve uygun üretim yöntemleri ile karmaşık geometriler için talep sürekli artıyor. Erimiş filaman imalatı (FFF) ile büyük ve karmaşık bileşenleri, hızlı bir şekilde yüksek malzeme verimliliği ile üretmek mümkündür. FFF içinde sürekli bir termoplastik filament ısıtmalı bir meme içinde erimiş ve aşağıda yatırılır. Bilgisayar kontrollü baskı kafası istenilen şekil katman katman kadar inşa edebilmek için taşınır. Araştırmalar metallerin yazdırma ile ilgili olarak veya seramik araştırma ve sektöründe daha da artmaktadır. Bu çalışmada bir metal (Paslanmaz çelik) Teknik seramik ile birleştirmek için çok maddesel bir yaklaşım ile katkı üretim (AM) üzerinde duruluyor (zirkon: ZrO₂). Bu malzemelerin birleştiren uygulamaları farklı elektrik ve mekanik özellikleri nedeniyle geniş bir çeşitlilik sunmaktadır. Kağıt malzeme ve hammadde, aygıt geliştirme ve bunlar kompozit yazdırma hazırlanmasında ana sorunları gösterir.

Introduction

ISO/ASTM göre (AM) üretim katkı fiziksel nesneler geometrik gösterimi üzerinde art arda buna ek olarak malzeme¹tarafından dayalı oluşturma teknolojileri genel bir terimdir. Bu nedenle, bu teknolojileri bilinen herhangi bir diğer şekillendirme tekniği ile yazarlara elde son derece karmaşık geometriyi bileşenlerle üretim imkanı sunuyoruz.

Seramik malzemeler son çeyrek yüzyıl²^,³farklı AM teknolojilerin erken gelişme beri incelenmiştir; Ancak, seramik bileşenlerinin katkı imalat polimer veya metal bileşenlerinin katkı imalat aksine sanat eseri değildir. Seramik bileşenler için kullanılan AM teknolojiler hakkında birkaç genel bakışlar Chartier vd tarafından verilir ⁴, Travitzky vd. ⁵ ve Zocca vd. ⁶hangi kullanılır – malzeme toz malzemeleri, sıvı malzeme ve katı malzemeler⁴^,⁵ durumuna göre ya da malzeme birikimi ve katılaşma^{6 tür göre sınıflandırılabilir,}. AM cihazlar bulunmaktadır, yoğun ve yüksek kaliteli seramik bileşenleri çoğu uygulamalar⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰ için istenen özelliklerde katkı üretimine izin veren ^, ¹¹.

Seramik komponentleri üretim karmaşık bir işlem gerektiriyor ve bu seramik AM içinde ilerleme durdu. Yine de, seramik bileşenler özel tüketim malları ve tıbbi cihazlar ve Roman “imkansız” geometriler¹²bileşenlerle imalatı için yeni ufuklar açılır AM için vazgeçilmezdir. Teknik seramik bileşenler için bir sonraki Termal tedavi imal edilmiş bileşenler gereklidir beri AM seramik şekillendirme kaldırılması gerekir organik bağlayıcı içinde askıya tozlar kullanımını gerektirir (i.e., debinding) daha önce toz birlikte erimiş (Yani, sinterleme).

Çoklu malzeme veya çok fonksiyonlu bileşenler AM AM avantajlarını birleştirir ve işlevsel olarak seramik tabanlı 4 D-bileşenler¹⁴malzeme (FGM)¹³ derece. Malzeme melez gibi elektriksel olarak iletken/yalıtım, manyetik/manyetik olmayan, sünek/sabit veya farklı renklendirmeyle özelliği birleşimlerine izin vermek. Hibrid bileşenleri sensörü veya aktüatör fonksiyonlar MEMS (mikro elektromekanik sistemleri)¹⁵ de bilinen sergi. Ayrıca, metal/seramik kompozit geleneksel kaynaklanabilir çelik ortaklar kullanıldığından makinelere seramik parçalar katılmadan tamamlayabilir.

Avrupa projesi cerAMfacturing (Avrupa Birliği projesi CORDIS 678503) AM teknolojileri tek malzeme bileşenleri için yanı sıra AM seri üretimine olanak tanıyan çoklu malzeme bileşenleri için tamamen yeni bir yaklaşım geliştirmek özelleştirilmiş ve çok fonksiyonlu bileşenler için çeşitli uygulamalar¹². Üç farklı süspansiyon tabanlı AM teknikleri seramik-seramik gibi metal-seramik bileşenler AM izin vermek için nitelikli. Süspansiyon tabanlı AM teknikleri kullanımı geliştirilmiş bileşen performans esaslı toz yöntemleri ile karşılaştırıldığında vaat ediyor. Bir süspansiyon toz parçacık dağılımı daha homojen ve toz yatakta daha kısa olduğundan, bu şekillendirme yöntemleri yoğun microstructures ve düşük yüzey pürüzlülüğü Sinterlenmiş bileşenlerle neden daha yüksek yeşil yoğunlukları verim ¹²seviyeleri.

Filaman imalatı (FFF) litografi tabanlı seramik (LCM)⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹⁶^,¹⁷üretim ile birlikte erimiş ve termoplastik 3D baskı (T3DP)¹²^,¹⁴^,¹⁸ varlık gelişmiş. FFF ve T3DP selektif ifade ve katılaşma saf seçici katılaşma malzemenin tüm tüm katmanı^{14 tevdi yerine belirli malzemenin nedeniyle LCM daha çok maddesel bileşenleri AM için uygundur}.

FFF ve LCM için karşılaştırıldığında T3DP ek bir yararı termoplastik bağlayıcı sistemleri fotoğraf kür polimerler yerine kullanılır. Ciltçi sistemi toz emme, emisyon ve Elektromanyetik dalgaları, üretimi için gerekli olan Örneğin, karanlık ve aydınlık malzemelerinde (görünür aralığı), yansıma gibi optik özellikleri bağımsız işlenmesini sağlar Metal-seramik bileşenler¹⁹^,²⁰. Ayrıca, çok sayıda standart aygıtlar kullanılabilir olduğundan düşük yatırım için FFF donatım gereklidir. Bu teknik yüksek malzeme verimliliği ve geri dönüşümlü malzemeler nedeniyle ekonomik olur. Son olarak, FFF akslar üzerinde baskı kafası devam dayanır bu yana büyük parçalar için upscale kolaydır.

Bu kağıt FFF kullanarak metal-seramik kompozit üretim ilk sonuçlarını sunar. FFF ve T3DP birimi teknik kombinasyonu hala geliştirme aşamasında olmasına rağmen ek olarak, sunulmaktadır. FFF sürecinde filamentler termoplastik polimerler erimiş ve seçmeli olarak iki counter dönen elemanların eylem tarafından çekilmiş. Bir kez malzeme ile meme kalıptan çekilmiş, bu soğutma tarafından bileşenleri-katman katman üretimini sağlayan dönüşür. Son seramik ve metal bileşenleri üretmek için bir değişken işleminin Gelişmiş²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵^,²⁶oldu. Bağlayıcı bilinen polimer bileşenleri, son derece seramik veya metalik tozla dolu. Bileşenlerinin şekillendirme geleneksel FFF yaklaşımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir sonra iki ek işlem gereklidir. İlk olarak, polimer bileşenleri tamamen örnekler çok sayıda mikro ölçekli gözenekli bir yapısı oluşturma debinding aşamada kaldırılması gerekir. Son özellikleri ulaşmak için toz kompakt daha sonra bir sıcaklık malzemenin ergime noktası aşağıda Sinterlenmiş. Bu yaklaşım, silikon nitrür, erimiş silis, Piezoelektrik Seramik, paslanmaz çelikler, tungsten karbid-kobalt, Alümina veya titanyum dioksit²³^,²⁴^,²⁵ gibi malzemelerin üretim başarılı bir şekilde başka bir yerde gerçekleştirilmiştir.

Polimer filamentler son derece dolu kullanımı ve süreç karakteristik malzeme²¹belirli gereksinimleri empoze. Termoplastik bağlayıcı bileşenler ve homojen yoğurma gibi organik Ciltçi bileşenleri, erime noktası üzerindeki sıcaklıklarda bileşik teknikleri kullanılarak dağıtılmış gerekir toz arasında iyi uyumluluğu sağlanmalıdır ya da haddeleme kesme. Katı filaman erimiş malzeme itmek için yazdırma kafası bir piston gibi hareket etmek olduğundan, yüksek sertlik ve düşük viskozite tipik çapı 0,3 1.0 mm arasında değişen malzeme meme ile ekstrüzyon etkinleştirmek için gereklidir. Bu arada, malzeme yeterli esneklik ve gücü biriktirilmesine bir filaman şeklinde olabilir sahip olmalıdır. Tozu fazla yük yaparken bu özellikleri birleştirmek için²¹^,²²^,²⁶farklı çok bileşenli bağlayıcı sistemleri olmuştur geliştirdi.

Yeterli bağlayıcı formülasyonu kullanılmasına ek olarak, bu çalışmada yeni bir sürüş sistemi istihdam edilmiştir. Genellikle, dişli sürücünün tekerlekleri filaman meme ile itmek için kullanılır. Bu dişler kırılgan filaman zarar verebilir. Filamentler mekanik gereksinimlerini azaltmak ve ekstrüzyon basınç FFF işlemi sırasında artırmak için geleneksel FFF sisteminin dişli sürücü tekerleklerin bir özel çift kemer sistemi tarafından değiştirildi. Uzunluğu, şekli ve kemerleri özel kauçuk kaplama nedeniyle yüksek sürtünme ve rehberlik oluşturulan. En önemli konu herhangi bir yazdırma kafası aracılığıyla filaman çökertme engel. Filaman sonuna kadar meme için güdümlü gerekir, hiç boş yer verilir ve dikkate alınması gereken bileşenleri arasındaki gerekli geçişler var.

Besleme ünitesi ayrıldıktan sonra filaman meme birim girer. Ana hedeflere tasarlanmış sıcaklık yönetimi ve boşluksuz rehberlik edildi. Gelişmiş yazdırma kafası Şekil 1‘ de gösterilen.

Resim 1 : Yeni kemer sürücü birimi (üst) ve gerçek birim (alt) görüntü CAD modeli. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Metal-seramik bileşenler üretimi (karşılaştırılabilir katsayısı genleşme (CTE), sıcaklık rejimleri ve atmosfer) ısıl işlem sırasında birlikte işleme izin tozlar yelpazesi için ele alınması gereken başka bir büyük meydan okuma ve Özellikle her iki malzeme büzülme davranışını ayarlama sinterleme adım sırasında. Bu eser bir girişim zirkon birleştirmek için yapılır ve onlar karşılaştırılabilir CTE (yaklaşık 11 x 10^-6/K) ve aynı koşullar Sinterlenmiş beri paslanmaz çelik 17-4PH modifiye (hidrojen atmosfer, sinterleme sıcaklığı azaltmak: 1350-1400 ° C). Ancak, büzülme davranışını ayarlamak için bir özel freze metalik toz için gerekli¹⁹^,²⁰işlemdir.

Protocol

1. kullanılan malzemeler Ciltçi bileşenlerinin seçimi Son derece dolu bileşikler (yaklaşık 50 Vol % toz içeriği) FFF için tanımlanmış ölçütlere göre cilt sistemini seçin: yüksek mekanik güç, yeterli sertlik, düşük viskozite ve biriktirme için esneklik. Yüksek katı yükleme tarafından sert bir düşüş esneklik ve viskozite artması beklenebilir.Not: Bu çalışmada, bir çok bileşenli Ciltçi sistemi kullanıldı. Bileşenleri çoğunluğu bir termoplastik elastomer esneklik ve gücü artırmak için oluşuyordu. Functionalized Poliolefin tozu ile yapışma geliştirmek için bir omurga olarak dahil edildi. Son olarak, Stearik asit (yaklaşık 5 vol %) tozlar iyi dağılım için yüzey aktif olarak dahil oldu. Gizlilik nedenlerden dolayı daha fazla bilgi ifşa edemem. Tozlar yelpazesi Uygun toz iki çoklu malzeme yaklaşım için seçin. Bir seramik ve metal tozu ortak işlenmesi için malzemeler genleşme (CTE) aynı katsayısı ve aynı büzülme davranışı ile aynı sinterleme atmosferde sinterleme sırasında seçin. Özel seramik sınıf seçin. Tetragonal yttria stabilize zirkon son CTE ve sinterleme sıcaklığı özel paslanmaz çelikler gibi yüksek tokluk ve bu seramik malzemenin bükülme gücü ile karşılaştırılabilir varlık seçin. 7 ± 2 m2/g belirli bir yüzey alanı ve d50 partikül boyutu ile zirkon toz kullanın = 0.5 µm. Özel metal sınıf seçin. Paslanmaz çelik toz iletken ve sünek metalik malzeme olarak kullanın. Malzeme karşılaştırılabilir bir CTE ve sıcaklıklar bu zirkon bir koruyucu hidrojen atmosfer altında sinterleme benzer bir dizi olmalıdır. Davranış sinterleme düzeltmesinden Bir stressiz Co sinterleme ulaşmak için her iki toz türdeki sıcaklık bağımlı zorlanma davranış (sinterleme ve termal genişlemesi nedeniyle büzülme) ayarlayın. Kullanılan zirkon toz ince parçacıklar nedeniyle yüksek yüzey enerji olduğundan, paslanmaz çelik toz nispeten büyük metal parçacıklar rafine ve çıkık yoğunluğu atom kafes deformasyon tarafından artan değişiklik.Not: İlk yıpratma frezeleme sırasında küresel çelik parçacıklar ince ve kırılgan pul ile son derece yüksek çıkması yoğunluk içine yeniden şekillendirilmiş. İkinci olarak yüksek enerji freze adımı sırasında (gezegen topu PBM freze) kırılgan pul çok iyi ayarlanmış parçacıklar halinde bir artan sinterleme yeteneği ile kırılmış olacak. Bu şekilde, artan sinterleme etkinliği metalik toz ulaşılabilir ve küçülen eğrisi zirkon, sadece küçük farklılıklar19,20gösterilen eğrisi için ayarlanmış olabilir. (180 dk) yeniden şekil içine ince ve kırılgan pul için küresel paslanmaz çelik parçacıklara freze yıpratma uygulanır. Gezegen topu (240 min) azalan bir en boy oranı olan, ancak artan bir sinterleme yetenek çok iyi ayarlanmış parçacıklar kırılgan pul sızmak için freze gerçekleştirin. Ayarlama başarı değerlendirmek Bir çubuk veya optik dilatometer uygun malzeme kompakt büzülme davranışını ölçmek ve sonuçları karşılaştırmak için kullanın. (Isıtma oranları, atmosfer, maksimum sıcaklık, bekleme süresi) aynı ölçüm geçerli ve aynı hacimsel toz içeriği her iki malzeme kullanın. Sinterleme davranışlara yüksek bir uyumsuzluk varsa, paslanmaz çelik toz freze parametreleri ayarlamak. İnce tozlar sıcaklık başlayan bir alt oluşumu için yol açacaktır. Zaman freze uzun bir yıpratma daha yüksek çıkması enerjileri ve daha yüksek büzülme yol açacaktır. Gezegensel freze polimer bileşikler uygulanabilir gölcüğününiçine toz yol açar.Not: Ayar başarısı hammadde tarafından etkilenir. En iyi duruma getirme yürütülmelidir. Sinterleme eğrileri kayması da olabilir tozlar fractioning tarafından oluşturulan. İnce toz kesirler düşük sıcaklıklarda sinterleme başlamak eğilimindedir. 2. filament üretim Hammadde hazırlamaNot: zirkon hammadde hazırlanması için27aglomera eğilimi azaltmak için toz kuru. En az 1 saat için bir vakum fırında 80 ° C’de malzeme kuru. Malzeme bir silindir rotor karıştırıcı 60 rpm’de 30 dakika önceden bileşik. Sıcaklık bağlayıcı bileşenler eritmek için yüksek olduğundan emin olun. Ciltçi bileşenleri tanıtmak ve erime kadar bekleyin. 5’te toz yem ardışık her 5 dk yükler. İşlemin sonunda, adım 2.1.2 kolaylaştırmak için küçük parçalar odasında malzeme ayıklamak.Not: her iki malzeme için 47 Vol % içeriğini toz içinde termoplastik feedstocks cemiyette. Granül veya oda sıcaklığında soğutma sonra katı malzeme pelletize. Bir kesme fabrikası istihdam, malzeme parçaya yavaş yavaş tanıtmak. Parçaları içinde sonraki olanlar tanıtmak için toz kadar bekleyin. Taşlama Odası çıkışında, bir elek ile 4 x 4 mm kare delikler yeterli büyüklükte tanecikler almak için kullanın. Bu yordam bir sürekli çift vidalı ekstruder veya makas rulo (adım 2.1.3) besleme için gereklidir. Malzeme dağılımı, Örneğin, bir ortak dönen çift vidalı ekstruder (TSE) içinde geliştirmek veya bir kesme ekstruder almak için yüksek kesme hızlarında bileşik. Konveyör bant ile malzeme toplamak ve aşağı oda sıcaklığına kadar sakin ol.Not: Bu çalışmada, bir ortak dönen çift vidalı ekstruder kullanıldı. 210 ° C kalıp içinde tanımlanmış olan kadar vida dönme hızı 600 rpm ve sıcaklık profil için 170 ° C’den besleme bölgesinde kuruldu. Granül veya oda sıcaklığında soğutma sonra katı malzeme pelletize. 2.1.2 yordamı kullanın veya malzeme konveyör bant ile bir pelletizer sonunda pelletize. Granül eşit veya 4 mm daha küçük bir uzunluğa sahip kadar gerekirse, işlemi yineleyin. Resim 2 : Filament üretim hattı. Malzeme üzerinde kontrollü bir şekilde ekstrüzyon hızı ve sıcaklık düzenleme tarafından çekilmiş. Daha sonra toplanan ve konveyör bant ve çekicisi tarafından tahrik. Tel çapı ölçülür ve değerleri istenilen aralıkta iseniz, filaman biriktirilir. Filaman boyutları düzenleyecek, çekme ve biriktirme hızları aşamalı olarak ayarlanması gerekir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Filaman ekstrüzyonNot: Şekil 2 bir düzeni filaman hazırlık için üretim süreci ve alt tel çapı tanımlayan değişken parametreleri gösterir. Filament bir konveyör kayışı ile toplanan ve sayaç silindirleri dönen iki çift eylem tarafından çekilmiş. Çap ve ovallik değerleri bir lazer ölçüm cihazı ölçülür ve işlem parametreleri filaman geometri düzenlemek için ayarlanır. Malzeme sonunda makaralar üzerinde depolanır. FFF birim akışında filaman geometrisine bağımlı olduğundan filamentler üretim boyutları sabit bir dizi süreç, tekrarlanabilirlik için önemlidir. Malzeme bağlayıcı bileşenler erime noktası yukarıda bir ısıda 30 RPM A’ya. Basınç ve filament kalitesi iyi bir denetim için bir tek vidalı ekstruder Meme çapı en az 1,75 mm ile kullanın.Not: az miktarda malzeme için malzeme geliştirme aşamasında yüksek basınç kapiller rheometer istihdam edilebilir. Yine de, bir filament boyutlu kalitesiz beklenebilir.Not: Adım 2.1 ve 2.2.1 yeterli ikiz vidalı ekstrüzyon sürecinde birleştirilebilir. Haddelenmiş malzeme toplamak. Toplamak ve haddelenmiş materyalin serin bir konveyör bant kullanın. Hava veya su soğutma elemanları yüksek ekstrüzyon hızı kullanırken gerekli olabilir. Ölçmek ve filament boyutları kontrol. Belirli ekstrüzyon hızı için aşamalı olarak konveyör bant düzenleyen ve filament boyutlarını ayarlamak için hızları çekerek (konveyör azaltmak ve daha yüksek bir çapı için hız çekerek). Filamentler 1,70-1,80 mm ve ovallik 0.10 mm küçük çaplı yelpazesi ile üretmek.Not: Ovallik değer maksimum ve minimum çap arasındaki fark olarak tanımlanır. Mükemmel yuvarlak bir filament için sıfır bir ovallik alınması gerekir. Biriktirme malzeme. (Şekil 2) bir ek biriktirme birimi otomatik biriktirme için konveyör bant sonundaki yerleştirilebilir. 3. katkı yeşil bileşenlerin imalatı En iyi işlem parametreleri incelenmesi Yazdırmadan önce ticari Dilimleme yazılımını kullanın. Bu yazılım, yazdırma parametrelerini ayarlamak için ve g-kodu bir 3D-CAD modeli dışında yazdırma aygıtı için üretilecek uygulanabilir. Yazdırmak için aşağıdaki gerekli parametreleri göz önünde bulundurun: Yatak sıcaklığı için yatak yapışma Yazdırma hızı farklı malzemelerin sabit malzeme akışı için farklı yazdırma sıcaklık Katılaşma yazdırılan Strand desteklemek için fan soğutma kontrol katmanlar arasında geliştirilmiş yapışma için yazdırma sıcaklığı sızma ve bir “ilk ayağı” kullanarak önlemek için geri çekme parametreleri sağlamak aynı iplikçik genişliği farklı malzeme için malzeme akışı değişen AM test bileşenleri Bir ticari 3D printerlere harcama maddeler ile yeşil örneklerinin AM gerçekleştirmek ( Tablo malzemelerigörmek). Tek-malzeme test bileşenlerini çoklu malzeme bileşenleri yazdırmadan önce üretmekteyiz. Püskürtme uçlarını yazıcı yazılımındaki mümkün herhangi bir kayma çoklu malzeme bileşenleri üretim önce düzeltin. Tek parça üretimi Yazdırma kafası 1 ile zirkon filaman ve yazıcı kafası 2 ile paslanmaz çelik-filament yük. 10 mm/sn baskı kafası hızını ve baskı Oda sıcaklığı 20 ° c hem filamentler için kullanın 220 ° C ve paslanmaz çelik ile 240 ° c zirkon yazdırma kafasının sıcaklık ayarlayınNot: ilk testi geometrisi örnek olarak, küboidlerdeki için tek malzeme üretildi ve farklı sandviç Kur çoklu malzeme bileşeni için seçildi. Tüm yeşil bileşenleri son boyutları 15 mm x 15 mm ve çeşitli kalınlığı vardı 1-3 mm ve katman kalınlığı 0,25 mm ile üretildi. Yazdırma kafasının sıcaklığı feedstocks istenen akışkanlık elde etmek için farklı olabilir. Sıcaklık yetiştirme viskozite azalması için yol açar. İki malzeme en uygun yazdırma sıcaklıkları farklı olabilir. Çoklu malzeme imalat İki ya da üç farklı katmanları ile Örneğinalternatif tarafından çoklu malzeme bileşenleri üretmek., 1 mm paslanmaz çelik / 1 mm zirkon / 1 mm paslanmaz çelik veya 1 mm zirkon / 1 mm paslanmaz çelik / 1 mm zirkon.Not: çok bileşenli baskıda, keskin ve hassas malzeme geçişleri için bir “ilk ayağı” kullanmak çok yararlı olabilir. Malzeme kalıptan çekilmiş için kullanılan meme doldurur kadar yazdırma kafası değiştirirken, filaman birkaç milimetre boşluklar önde gelen gereklidir. Bu nedenle, bölümünün görünümünü olması gerektiği kadar iyi değil. Bu davranışı önlemek için bölüm yanında “ilk ayağı” yazdırma, bu yazılımda ayarlanabilir. Esas ayağı (dikdörtgen kule, Şekil 3) tabakası ilk meme astarlanmış ve bölümü katmanları ile devam etmeden önce yazdırmaya hazır olduğundan emin olmak için meme, değiştirirken yazdırılır. Üretim duruma getirilmesi Bir “sızmak-gerekirse; kalkan” kullanın Bu bileşeni (Şekil 4) çevresinde baskılı ince bir duvar var. Bölüm dışında ikinci bileşeni için yazdırma kafası değiştirdikten sonra kuleden getirdiğinde bu duvarı çapraz meme var. Tüm yapışan malzeme bu kalkan, nozzle dan soyulmuş ve malzeme ifade yazdırılmasını tarafında duyarlığını artırılabilir.Not: Tel çapını sabit olduğunu varsayarak iyileştirmelerin ulaşılabilir kalite ile ilgili tarafından akışını, ekstrüzyon genişlik ve ekstrüzyon çarpanı, daha hassas ayarlamalar mümkündür. Şekil 3 : Üretim süreci metal-seramik bileşen kule yapısı ile için. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 4 : Sanal baskı sızmak-kalkan çevreleyen bir bileşeni,. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. 4. debinding ve bileşenleri sinterleme İki ardışık adımda debinding dışarı taşımak. İlk olarak, solvent ekstraksiyon ve kalan bağlayıcı bileşenler çürümeye sonra ısıl işlem gerçekleştirin. 60 ° C’de Siklokekzan kullanarak yazdırılan yeşil parçaları ile solvent ekstraksiyon kuralları Yeterli Siklokekzan örnekleriyle kapak ve onları bu adımı gerçekleştirirken 8 h. düşünün yangın güvenliği yönü için tedavi. Çözünür Ciltçi içeriği yaklaşık % 7-9 WT burada kaldırılacak.Not: bir solvent ekstraksiyon uygulama sırasında sonraki thermaldebinding etkileri şişkinlik azaltılmış yol açar. Termal debinding ocağında argon atmosferin içinde (azot atmosferi altında oluştu) azaltma veya oksidasyon malzemeleri korumak için debinding gerçekleştirin. Maksimum sıcaklık 5 ° C/h ve 150 ° C/h arasında 440 ° C ve farklı ısıtma kullanın. Karakterize veya her iki feedstocks debinding davranışını en iyi duruma getirmek için bir thermogravimetric geçerli analiz azot altında akışı 600 ° uygun ısıtma oranları değerlendirmek için C’ye kadar. Azalan bakiyeli bir atmosferde % 80 argon ve % 20 hidrojen yüksek sıcaklık tungsten fırın içinde sinterleme taşırlar. 1365 ° c en yüksek sıcaklık ulaşmak için Isıtma hızları 3 ° C/dak ve 5 ° C/dk arasında kullanmak Sonra bir bekleme süresi 3 h için oda sıcaklığında fırın serin.

Representative Results

En iyi sonuçları elde etmek için paslanmaz çelik davranış sinterleme uydurma bir yıpratma 180 dakika ve yaklaşık 240 dakika freze bir gezegen top mill (PBM) zaman freze ile elde edilmiştir. Şekil 5 SEM görüntü (solda) tedavi edilmezse toz, (orta) freze yıpratma sonra deforme parçacıklar ve kıyılmış parçacıklar PBM freze adım sonra (sağda) gösterir. Şekil 5 : Tedavi edilmezse paslanmaz çelik < 38 µm (D90) (solda), paslanmaz çelik toz (orta) freze yıpratma sonra ve sonra (sağ) freze PBM paslanmaz çelik toz Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. İlk ve çentikli çelik tozu sinterleme davranışını zirkon toz Şekil 6, tüm optik bir dilatometer ile ölçülen sinterleme davranışını ile karşılaştırılır. Şekil 6 : Dilatometric eğrileri zirkon toz (TZ-3Y-SE) ve paslanmaz çelik toz (17-4PH) başlangıç durumu ve paslanmaz çelik toz yüksek enerjili freze tedavisinde sonra. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Yüksek kesme bileşik adım geridönüşümü mekanik özelliklerini geliştirme zirkon geridönüşümü için karakterize edildi. 75 dk bir silindir rotor karıştırıcı (RM) tek bir bileşik adımda üretilen bir hammadde ile iletişim kuralında tanımlanan yöntemi tarafından üretilen bir karşılaştırıldı. Filamentler 1,75 mm çap, 1 mm/s bir piston hızı ve 190 ° c sıcaklık bir zar ile bir yüksek basınç kapiller rheometer kullanarak kalıptan çekilmiş Filamentler bir konveyör bant ile toplanmıştır ve evrensel bir gerilme test makine ile test edilmiştir. En az 5 tekrar malzeme yapılmıştır. Şekil 7 ultimate dayanımı (UTS), UTS uzama ve Sekant modülü ile ilgili her iki malzeme bir karşılaştırmasını gösterir. Şekil 7 : Zirkon geridönüşümü mekanik özelliklerini bileşik yönteminde etkisi. Hammadde bir iç silindir karıştırıcı (RM) veya bir ortak dönen ikiz vida adımı (TSE) ile birlikte bileşik. Güç, esneklik ve kapiller rheometer ile üretilen filamentler sertliği ortalama değer ve nihai dayanımı (UTS), uzama muhabir standart sapması UTS Sekant modülü kullanılarak belirlenmiştir, anılan sıraya göre. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 8, çap değerlerinin (solda) zirkon yapılan filamentler üretimi sırasında elde edilen ve paslanmaz çelik (sağda) feedstocks sunulmaktadır. Haddelenmiş filaman çapını tek vidalı ekstrüzyon ile üretim süreci sırasında kaydedildi. Zirkon filamentler için 0,02 mm standart sapma ile ortalama çapı 1,75 mm boyutları iyi bir kontrol elde edilebilir. Değiştirilmiş paslanmaz çelik toz içeren filamentler için Ortalama filaman çapı daha yüksek bir değişkenliği gözlendi. Olası bir neden bir inhomogeneous partikül dağıtım metal parçacıklar (Şekil 5) trombosit benzeri şekilden kaynaklanan geridönüşümü içinde olabilir. Bu durumda, daha yüksek sayıda ölçüm noktası 1,75 mm arası ± istenen aralığı dışında bulunan 0.05 mm ve ortalama çap değeri 0,03 mm standart bir varyasyonu ile 1.74 mm olduğunu. Hem filamentler türlerinde ovallik değerleri 0,1 mm sınırından daha küçük. Şekil 8 : Histogramlar filaman çapının okudu malzemeler için. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 9 yeşil sandviç yapıları kompozisyonu çelik-zirkon-(zirkon-çelik-Zirkonya yanı sıra (sağda) solda) ile çelik üretimi için uygun metal ve zirkon filamentler gösterir. Şekil 9 : Yeşil çelik-zirkon-çelik (solda) ve zirkon-çelik-Zirkonya bileşenleri (sağda) additively FFF tarafından üretilen. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Her iki malzeme benzer cilt sistemi nedeniyle, yekpare bir kompozit parça belirli katmanlara sigorta mümkündür. Şekil 10′ büyük yuvarlak şekilli bölümü keskin geçişler ile gösterilir. Şekil 10 : Yapı zirkon ve paslanmaz çelik arasında keskin geçişler ile. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 11 daha fazla işlenen diğer yeşil tek ve çoklu material bileşenleri gösterilmiştir. Şekil 12 bir saf zirkon örnek saf paslanmaz çelik orta gösterir ve nihayet Sinterlenmiş ve de birleştirilmiş çelik-seramik kompozit sağ taraftaki resimde sol tarafında gösterir. Şekil 11 : FFF tarafından üretilen yeşil test örnekleri; üst: zirkon-çelik-kompozisyonlarını paslanmaz çelik üst; orta: Paslanmaz çelik; alt: zirkon. Kılavuz kutu 5 mm. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 12 : (Solda), zirkon örnek Sinterlenmiş paslanmaz çelik (orta), Sinterlenmiş ve Sinterlenmiş zirkon paslanmaz çelik kompozit (sağda). Tüm ölçekler mm. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 13′ te, FFF-bileşenleri tipik bir yapısı arasında iki yatırılan filamentler crotches (veya alt çevre) ile hangi bir sıradan Dilimleme (araç yolu) ve maddi yükünün sürekli şekilde sonuçlandı gösterilir. Şekil 13 : FFF-bileşenleri Dilimleme dan kaynaklanan tipik yapısını ve sürekli maddi birikimi. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Daha yüksek birim ifade için yol açar, Dilimleme yazılım ekstrüzyon çarpanı yükselterek alt çevre azaltılmış yanı sıra araç yolları adapte olabilir. Yine de, filamentler parçacıklar yüksek içerik nedeniyle, bu ifade davranış termoplastikler sıradan basım–dan farklı açıktır. Bu nedenle, bu tür hataları kapatmak için bir yazılım değişiklik arzu edilir. Çözücü debinding, termal debinding ve sonraki sinterleme, önemli hiçbir deformasyon gösterdi veya şişkinlik tüm farklı örnek sonra. Sinterlenmiş saf zirkon ve paslanmaz çelik FFF örnekleri ile ve basınç yükü olmadan iyi bir geometrik istikrar var ve onlar değil kemerini. Toplam kütle kaybı tam debinding gösteren 14,8 ,9 oldu. Metal-seramik örnekleri her iki malzeme iyi makroskopik yapışma gösterdi. Kompozitler sinterleme sonra kütle kaybı da tam debinding gösterir % 14,1-14.4 bulundu. Daha fazla analiz ve işlem ayarlamalar takip edecek. Kompozit elektron mikroskop karakterizasyonu kompozit kalitesi içgörü sağlamak amaçlanmaktadır. Kompozit istenen oluşumunu Şekil 14′ te gösterildiği gibi başarılı bir şekilde yer almıştır. Şekil 14 : SEM görüntü mikroyapı malzeme ortak gösterilen metal-seramik arabiriminde. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Sonuçlar bu elektriksel iletken ve elektrik izole özellikleri bir bileşende oluşturma FFF kullanarak metal-Seramik Kompozit üretimi için umut verici bir yaklaşım gösterir. Ayrıca, seramik parçaları uygulanması metalik ortamlar içine iyi malzeme bond ve kaynaklanabilirlik paslanmaz çelik nedeniyle mümkün olur. AB içinde proje Isıtma cihazları iletken olmayan bir ZrO2 matris paslanmaz çelikten oluşan bir elektrik iletken yol içeren FFF tarafından üretildi. Şekil 15 Sinterlenmiş örnekleri gösterir. Bu çoklu malzeme bileşenleri analiz ve gelecekte test gerekir. Şekil 15 : Isıtma elemanları, zirkon ve paslanmaz çelikten yapılmış sinterlenmiş Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 16 Şekil 17 yeni yazıcı kafası iki FFF-baskı kafası ve iki T3DP baskı kafası ile CAD-model olarak (Şekil 16) göstermek ve FFF aygıt (Şekil 17) uygulanmaktadır. Bir meydan okuma her iki sistem için çıkış kontrol ediyor. Mikro birimleri dağıtımı için çıktı bir piezo-driven piston Step motorlar hız FFF-baskı kafaları içinde kemer sürücüler için yerine sıklığına göre kontrol edilir. Her iki cihaz arasındaki etkileşimin gelecekte test edilmelidir. Şekil 16 : Yeni yazıcı kafası iki FFF-baskı kafası ve iki T3DP baskı kafası ile CAD modeli. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 17 : Yeni yazıcı kafası iki FFF-baskı kafası ve bir T3DP baskı kafası (solda) ile görüntü. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Discussion

Zirkon ve paslanmaz çelik burada kullanılan, metal-seramik parçaları nedeniyle karşılaştırılabilir CTE Co sinterleme, sinterleme sıcaklığı ve atmosfer sinterleme için çok uygundur. Sinterleme davranışı zirkon ve paslanmaz çelik feedstocks paslanmaz çelik toz (Şekil 9) tedavi ile başarılı bir şekilde ayarlanmış olabilir. Belirtilen malzeme ve yöntemler kullanarak, makroskopik kusur ücretsiz bölümleri FFF tarafından ilk kez üretmek mümkündür. Yazarın bilgi için karşılaştırılabilir AM yöntemi T3DP¹⁹^,²⁰hariç gibi parçalar üretmek için bilinir. Metal seramik parçaları için bir uygulama bir ısıtma elemanı bir elektrik iletken ilmekledi paslanmaz çelik İzoleli zirkon matris içinde olduğu Şekil 17‘ de gösterilmiştir.

Metalik ve seramik bileşenleri FFF için büyük sorunlar sertliği dramatik artış ve yüksek katı içeriği nedeniyle filamentler kırılganlık biridir. Bu nedenle, doğru cilt bileşenlerinin seçimi projenin başarısı için önemli bir faktör oldu. Ayrıca, güç ve esneklik filamentler, yüksek bir kesme tekniği (Şekil 7) karıştırma kullanılarak geliştirilebilir. Son derece dolu sistemleri²⁸ile önceki araştırmalara göre bu gelişme daha iyi toz dağılımı ve aglomeralar²⁹^,³⁰azalma tarafından kaynaklanabilir.

Soruşturma ve çekerek ve hızları filaman üretim süreci sırasında biriktirilen ekstrüzyon düzeltilmesi uygun boyutları ile son derece parçacık dolu filamentler üretim izin. Ekstruder yanı sıra önemli ölçüde soğutma aygıtlarının kullanımını içinde sıcaklık dağılımı gibi diğer parametreleri ve filament kalite etkiledi dikkatle seçilmiştir.

Hem filamentler FFF cihazda başarıyla işlendi. Feedstocks arasında yapışma yeşil durumda (Şekil 7-9) çok iyi olduğu anlaşıldı. Yalnızca bazı küçük doldurulmamış birimleri görünür, hangi normal bir sanat devlet FFF işlemlerinde (Şekil 13) uygulanır. Bu kritik birimleri termoplastik malzemeler ile kapatmak için FFF cihazın T3DP¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,³¹^,³², bilinen iki mikro dağıtım üniteleri ile donatılmıştır hangi devrilmesinden sonra yetersiz dolu birimleri kapatmak için tek damlacıkları ince yapıları (Şekil 14 ve 15) üretimine izin.

Geometrik kısıtlamalar bölümü karmaşıklık veya çözünürlük güçlü kesintisiz malzeme akışı yanı sıra kullanılan Dilimleme yazılım yazıcı kurulumunu bağımlıdır. Tasarım kuralları ve sonuç bölümü görünüm en az FFF plastik kullanmaya benzer bulunur.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu proje Avrupa Birliği’nin ufuk 2020 araştırma ve yenilik programı Hibe Sözleşmesi No 678503 altında fon aldı.

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