Diese Studie zeigt-Multimaterial additive Fertigung (bin) mit verschmolzen Filament Fertigung (FFF) aus Edelstahl und Zirkonia.
Technische Keramik sind für Anwendungen in Industrie und Forschung sowie für Konsumgüter verbreitet. Heute steigt die Nachfrage für komplexe Geometrien mit vielfältigen Anpassungsmöglichkeiten und günstigen Produktionsverfahren kontinuierlich. Mit geschmolzenen Filament-Fabrikation (FFF) ist es möglich, große und komplexe Bauteile schnell mit hohe Materialeffizienz zu produzieren. In FFF ist eine kontinuierliche thermoplastischen Filament in eine beheizte Düse geschmolzen und unten hinterlegt. Der computergesteuerte Druckkopf bewegt sich um die gewünschte Form Schicht für Schicht aufzubauen. Untersuchungen in Bezug auf Druck von Metallen oder Keramiken steigen mehr und mehr in Forschung und Industrie. Diese Studie konzentriert sich auf additive Manufacturing (AM) mit einer-Multimaterial Annäherung an eine Metall (Edelstahl) mit einer technischen Keramik kombinieren (Zirkonoxid: ZrO2). Kombination dieser Materialien bietet eine Vielzahl von Anwendungen aufgrund ihrer verschiedenen elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Das Papier zeigt die wichtigsten Fragen in der Vorbereitung von Material und Rohstoffe, Geräteentwicklung und Drucken dieser Verbundwerkstoffe.
Nach ISO/ASTM ist Additive manufacturing (AM) der Oberbegriff für Technologien, die physische Objekte basierend auf einer geometrischen Darstellung von aufeinander folgenden Zusatz von Material1erstellen. Daher bieten diese Technologien die Möglichkeit der Herstellung von Bauteilen mit extrem komplexer Geometrie, die durch eine andere Gestaltung Technik bekannt, die Autoren nicht erreicht werden kann.
Keramische Werkstoffe sind seit der frühen Entwicklung der Technologien im letzten Viertel Jahrhundert2,3AM untersucht worden; additiver Fertigung keramischer Bauteile ist jedoch nicht Stand der Technik im Gegensatz zum additiven Fertigung aus Kunststoff oder Metall Komponenten. Verschiedene Übersichten über die Uhr Technologien für keramische Komponenten verwendet werden von Chartier Et Al. gegeben. 4, Travitzky Et al. 5 und Zocca Et al. 6, die nach dem Stand des Materials, das verwendet wird – Pulverwerkstoffe, Flüssigkeiten und Feststoffe4,5 oder nach der Art der materiellen Ablagerung und Erstarrung6 eingestuft werden kann . AM Geräte zur Verfügung, mit denen die additive Herstellung von dichten und qualitativ hochwertige Keramikkomponenten mit den gewünschten Eigenschaften für die meisten Anwendungen7,8,9,10 , 11.
Produktion von keramischen Bauteilen erfordert eine komplexe Verarbeitung, und dies hat Fortschritte in der Uhr Keramik ins Stocken geraten. Dennoch sind keramische Komponenten für spezielle Konsumgüter und Medizinprodukte und AM eröffnet neue Horizonte für die Herstellung von neuartigen Komponenten mit “unmöglich” Geometrien12unverzichtbar. Für technische Keramikkomponenten, ist eine thermische Nachbehandlung der gefertigten Komponenten erforderlich seit der AM gestalten von Keramik erfordert den Einsatz von Pulver in der organischen Bindemitteln, die entfernt werden müssen (i.e., Entbinderungsprozess) vor der Pulver ist verschmolzen (d.h., Sintern).
Das AM- Multimaterial oder Multi-funktionale Komponenten vereint die Vorteile von am- und funktional benotet Materialien (FGM)13 in Keramik-basierten 4D-Komponenten14. Material-Hybriden ermöglichen Eigenschaft Kombinationen wie elektrisch leitfähige/Isolierung, magnetische/nicht-magnetischen, duktile/hart oder verschiedene Färbungen. Hybridbauteile können Sensor oder Aktor von MEMS (Mikro-elektromechanische Systeme)15 sowie bekannte Funktionen aufweisen. Darüber hinaus können Metall/Keramik-Verbundwerkstoffe ergänzen keramische Bauteile in Maschinen beitreten, da konventionelle schweißbaren Stahl Partner verwendet werden können.
Das europäische Projekt CerAMfacturing (EU-Projekt CORDIS 678503) ist die Entwicklung AM Technologien für die einzelnen Materialkomponenten sowie einen völlig neuen Ansatz für MW-Multimaterial Komponenten, die Serienproduktion ermöglichen individuelle und multifunktionale Komponenten für verschiedene Anwendungen12. Drei verschiedene Aussetzung-basierte AM Techniken sind qualifiziert, AM Keramik sowie Metall-Keramik-Komponenten zu ermöglichen. Die Nutzung der Aussetzung-basierte AM Techniken verspricht verbesserte Komponentenleistung im Vergleich zu Pulver-basierten Methoden. Da die Kornverteilung des Pulvers in einer Suspension homogener und kompakter als in einem Pulverbett ist, ergeben diese Gestaltung Methoden höhere grünen dichten, die Sinterformteile mit dichten Mikrostrukturen und geringe Oberflächenrauhigkeit führen Level12.
Zusammen mit Lithographie-basierten Keramik Herstellung (LCM)7,8,9,10,11,16,17, verschmolzen Filament Fertigung (FFF) und thermoplastische 3D-Druck (T3DP)12,14,–18 entwickelt. FFF und T3DP eignen sich eher für die Uhr-Multimaterial Komponenten als LCM wegen der selektive Abscheidung und Erstarrung von bestimmten Material anstelle von reinen selektiven Erstarrung von Material abgelagert über die gesamte Schicht14 .
Ein weiterer Vorteil der FFF und T3DP im Vergleich zu LCM ist der Einsatz von thermoplastischen Bindemittel anstelle von Foto-härtenden Polymeren. Das Bindemittelsystem ermöglicht die Verarbeitung von Pulvern, die unabhängig von ihrer optischen Eigenschaften wie Absorption, Emission und Reflexion von elektromagnetischen Wellen, z. B. dunklen und hellen Materialien (im sichtbaren Bereich), die für die Produktion notwendig ist von Metall-Keramik-Komponenten19,20. Darüber hinaus ist geringer Investition für die FFF-Ausrüstung erforderlich, da eine Vielzahl von Standardgeräten zur Verfügung. Diese Technik wird wirtschaftlich durch hohe Materialeffizienz und recycelbare Materialien. Schließlich lässt sich FFF sich für große Teile gehoben, da der Prozess beruht auf Achsen Druckkopf weitergehen.
Dieser Beitrag stellt die ersten Ergebnisse der Herstellung von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe mit FFF. Darüber hinaus präsentiert die technische Kombination von FFF und T3DP Einheiten, obwohl es noch in der Entwicklungsphase ist. FFF dabei sind Filamente von thermoplastischen Polymeren geschmolzen und selektiv durch die Wirkung der beiden Zähler rotierenden Elementen extrudiert. Sobald das Material durch die Düse extrudiert wird, erstarrt es durch Abkühlung, ermöglichen die Produktion von Komponenten schichtweise. Um endgültige keramischen und metallischen Komponenten zu produzieren, wurde eine Variante des Prozesses entwickelten21,22,23,24,25,26. Die Polymeren Verbindungen, bekannt als Bindemittel, sind hoch mit einem keramischen oder metallischen Pulver gefüllt. Sobald die Gestaltung der Bauteile mit dem konventionellen FFF-Ansatz durchgeführt wurde, sind zwei zusätzliche Schritte erforderlich. Erstens müssen die Polymeren Komponenten komplett aus den Proben im Entbinderungsprozess Stadium, erzeugen eine Struktur mit zahlreichen Kleinstunternehmen Poren entfernt werden. Um die Endeigenschaften zu erreichen, sind die Puderdosen anschließend bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Materials gesintert. Mithilfe dieses Ansatzes, der Herstellung von Materialien wie Siliziumnitrid, Quarzglas, Piezokeramik, Edelstählen, Wolfram-Karbid-Kobalt, Aluminiumoxid oder Titandioxid-23,24,25 an anderer Stelle worden erfolgreich durchgeführt.
Die Verwendung von hoch gefüllten Polymeren Filamente und das Merkmal des Prozesses Auflagen bestimmte in den Materialien21. Gute Verträglichkeit muss zwischen den thermoplastischen Bindemittelkomponenten und das Pulver, das homogen verteilt werden muss, mit Compoundierung Techniken bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt der organischen Bindemittel-Komponenten, wie z.B. Kneten zur Verfügung gestellt werden oder Rollen zu scheren. Da der feste Faden hat, wie ein Kolben in den Druckkopf schieben Sie das geschmolzene Material handeln, müssen eine hohe Steifigkeit und eine niedrige Viskosität die Extrusion des Materials durch die Düse mit einem typischen Durchmesser von 0,3 bis 1,0 mm ermöglichen. Unterdessen muss das Material besitzen genügend Flexibilität und Stärke als ein Filament geformt werden, die gespoolt werden können. Verschiedene Mehrkomponenten Binder Systeme wurden entwickelt um diese Eigenschaften zu kombinieren mit einer hohen Belastung des Pulvers,21,22,26.
Neben dem Einsatz von angemessenen Bindemittel Formulierung ist ein neues Antriebssystem in diesem Werk beschäftigt. Allgemein, verzahnte Antriebsräder werden verwendet, um den Faden durch die Düse zu schieben. Diese Zähne beschädigen das spröde Filament. Zur Verringerung der mechanischen Anforderungen der Filamente und den Extrusion Druck während des FFF-Prozesses zu erhöhen, wurde das konventionelle FFF System verzahnte Antriebsräder durch eine spezielle dual Bandsystem ersetzt. Hohe Reibung und Führung entsteht aufgrund der Länge, die Form und die spezielle Gummierung der Riemen. Die wichtigste Frage war Knickung des Fadens durch den Druckkopf zu verhindern. Der Faden muss bis hin zur Düse geleitet werden, kein freier Speicherplatz ist erlaubt und die notwendigen Übergänge zwischen den Komponenten müssen berücksichtigt werden.
Nach dem Verlassen der Vorschubeinheit, betritt das Filament Düse-Einheit. Die Hauptziele waren gestaltete Temperaturmanagement und lückenlose Führung. Die entwickelten Druckkopf ist in Abbildung 1dargestellt.
Abbildung 1 : CAD-Modell des neuen Gürtel Antriebseinheit (oben) und Bild von der realen Lohnstückkosten (unten). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Eine weitere große Herausforderung angegangen werden, für die Herstellung von Metall-Keramik-Komponenten ist die Auswahl von Pulvern, die während der thermischen Behandlung (vergleichbare Koeffizient der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), Temperaturregime und Atmosphäre) Co Verarbeitung ermöglichen und vor allem die Anpassung der Schrumpfverhalten beider Werkstoffe beim Sintern Schritt. In diesem Werk Versuch besteht aus Zirkonoxid kombinieren und Edelstahl 17-4PH geändert, da sie einen vergleichbaren CTE (ca. 11 x 10-6/k) und können zu den gleichen Konditionen gesintert (Verringerung der Wasserstoffatmosphäre, Sintern Temperatur: 1350-1400 ° C). Für die Anpassung der Schrumpfverhalten, ist jedoch eine spezielle Verfahren für das metallische Pulver benötigt19,20.
Zirkonia und Edelstahl verwendet hier eignen sich sehr für die Co Sintern von Metall-Keramik-Komponenten aufgrund der vergleichbaren CTE, Sintern Temperatur und Sintern Atmosphäre. Das Sintern Verhalten der Zirkonia und die Edelstahl-Rohstoffe konnte erfolgreich bei der Behandlung von Edelstahl-Pulver (Abbildung 9) angepasst werden. Durch die Verwendung der genannten Materialien und Methoden, ist es möglich zu makroskopischen mangelfreien Teile von FFF zum ersten Mal herstellen. Die Autoren wissen ist keine andere vergleichbare AM Methode bekannt, solche Teile mit Ausnahme von T3DP19,20fertigen. Eine Anwendung für Metall-Keramik-Komponenten zeigt Abbildung 17, die ist ein Heizelement mit einer elektrische leitende geschlungene Edelstahl in einer isolierenden Zirkonia-Matrix.
Eine der großen Herausforderungen für die FFF von metallischen und keramischen Bauteilen ist die dramatische Zunahme der Steifigkeit und Sprödigkeit der Filamente durch den hohen Feststoffgehalt. Daher war die Auswahl der richtigen Bindemittelkomponenten ein Schlüsselfaktor für den Erfolg des Projekts. Darüber hinaus konnte die Stärke und Flexibilität der Filamente durch den Einsatz von einem hohen Scherkräfte Mischtechnik (Abbildung 7) verbessert werden. Nach früheren Studien mit hochgefüllte Systeme28könnte diese Verbesserung durch eine bessere Pulver Streuung und Reduzierung der Agglomerate29,30verursacht werden.
Die Untersuchung und Anpassung der Extrusion, ziehen und spooling Geschwindigkeiten während des Produktionsprozesses Filament erlaubt die Herstellung von hoch Teilchen gefüllt Filamente mit ausreichend dimensioniert. Andere Parameter wie die Temperaturverteilung innerhalb der Extruder sowie die Verwendung von Kühlgeräten erheblich beeinflusst die Filament-Qualität und wurden sorgfältig ausgewählt.
Beide Fäden wurden erfolgreich in der FFF-Gerät verarbeitet. Die Adhäsion zwischen den Ausgangsstoffen erwies sich sehr gut in der “grünen” Bereich (Abbildung 7-9). Nur einige kleinen ungefüllten Volumen waren sichtbar, die sind in der Regel für ein State-Of-The-Art FFF-Prozess (Abbildung 13). Um diese wichtigen Volumes mit thermoplastischen Materialien schließen, das FFF-Gerät verfügte über zwei Mikro Dosierer Einheiten bekannt aus T3DP18,19,20,31,32, die ermöglichen Sie die Abscheidung von einzelnen Tröpfchen, die unzureichend gefüllte Bände zu schließen sowie die Herstellung von feinen Strukturen (Abb. 14 und 15).
Geometrische Beschränkungen der Teil Komplexität oder Auflösung sind stark abhängig von der kontinuierlichen Materialfluss sowie die verwendete slicing Software Drucker-Setup. Den Design-Regeln und die daraus resultierende Bauteildarstellung befinden sich bei den meisten ähnlich mit FFF aus Kunststoff sein.
The authors have nothing to disclose.
Dieses Projekt wird finanziell von der Europäischen Union Horizont 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm unter Grant Agreement No 678503.
Zirconia | TZ-3YS-E | Tosoh, Europe B.V. | |
Stainless steel | UNS17400 -38 µm | Sandvik Osprey Ltd. | |
Table of Devices and Software | |||
slicing software | Simplify 3D | Simplify 3D, USA | |
roller rotors mixer | Plasti-Corder PL2000 | Brabender GmbH & Co. KG, Germany | |
3D printer | model Ceram | HAGE, Austria | |
cutting mill | SM200 | Retsch Gmbh Germany | |
corotating extruder | ZSE 18 HP-48D | Leistrutz Extrusionstechnik GmbH, Germany | |
laser measurementdevice | Diagnostic Laser 2010 | SIKORA AG, Germany | |
capillary rheometer | Rheograph 2002 | Göttfert Werkstoff-Prüfmaschinen GmbH, Germany | |
single screw extruder | FT-E20T-MP-IS | Dr. Collin GmbH, Germany | |
tungsten furnace | Hochtemperatur-Wolframofen WOHV 250/300-1900V | MUT Advanced Heating GmbH | |
debinding furnace | Retorten-Entbinderungsofen RRO 280 / 300-900V | MUT Advanced Heating GmbH | |
attrition mill | PE 1.4 | Erich NETZSCH GmbH & Co. Holding KG, Germany | |
PBM (planetary ball mill) | PM 400 | Retsch Gmbh, Germany |