이 연구 쇼 멀티 소재 첨가제 제조 () 사용 하 고 필 라 멘 트 제조 (FFF) 스테인리스 및 지 르 코니 아의 융합.
기능성 세라믹 산업 및 연구 응용 프로그램 뿐만 아니라 소비재에 널리 사용 됩니다. 오늘, 다양 한 사용자 지정 옵션 및 유리한 생산 방법을 가진 복잡 한 형상에 대 한 수요는 지속적으로 증가 하고있다. 융합 된 필 라 멘 트 제조 (FFF), 고효율 소재 크고 복잡 한 구성 요소를 신속 하 게 생산 가능 하다. FFF, 연속 열가 소성 필 라 멘 트가 열된 노즐에 녹아 이며 아래 입금. 컴퓨터 제어 인쇄 머리 원하는 모양 레이어, 레이어를 구축 하기 위해 이동 합니다. 조사에 관한 금속 인쇄 또는 세라믹 연구와 산업에서 점점 더 증가 하 고 있습니다. 이 연구는 기술 세라믹과 금속 (스테인레스 스틸)를 결합 하 여 멀티 소재 방식으로 첨가제 제조 (오전)에 초점을 맞추고 (지 르 코니 아: ZrO2). 이러한 자료를 결합 하 여 그들의 다른 전기 및 기계적 특성으로 인해 응용 프로그램의 광범위 한 다양 한을 제공 합니다. 종이 준비 재료와 원료, 장치 개발, 및 이러한 복합의 인쇄의 주요 문제를 보여 줍니다.
ISO/ASTM에 따라 첨가제 (오전) 제조 기술 만들 재료1의 연속 된 추가 의해 기하학 표시에 따라 물리적 개체에 대 한 일반적인 용어입니다. 따라서, 이러한 기술 저자에 게 알려진 다른 형성 기술에 의해 달성 될 수 없는 매우 복잡 한 기하학과 구성 요소 제조의 가능성을 제공 합니다.
세라믹 재료는 지난 분기 세기2,3;에 다른 오전 기술의 초기 개발 연구 그러나, 첨가제 제조 세라믹 부품의 첨단 고분자 또는 금속 부품의 첨가제 제조 달리 하지 않습니다. 세라믹 부품에 사용 되는 오전 기술에 대 한 몇 가지 개요 샤 외 에 의해 주어진 다 4, Travitzky 외. 5 와 죠 카 외. 6, 분말 재료, 액체 물자 및 단단한 물자4,5 -사용 되는 재료의 상태에 따라 또는 증 착 소재 및 응고6의 종류에 따르면 분류 될 수 있다 . 오전 장치는 사용할 수 있도록 원하는 속성 대부분 응용 프로그램7,8,,910 에 대 한 밀도 높은-품질 세라믹 부품의 첨가제 제조 , 11.
세라믹 부품의 생산은 복잡 한 처리 필요 하 고이 도자기의 오전에 진행을 지연 했다. 그럼에도 불구 하 고, 세라믹 구성 요소는 특별 한 소비재와 의료 기기, 그리고 오전 열립니다 “불가능 한” 기 하 도형12소설의 구성 요소 제작에 대 한 새로운 시야를 위한 불가결. 기술 세라믹 부품, 제조 부품의 후속 열 처리는 필요 오전부터 도자기의 형성 분말 유기 바인더 제거 하는 사용을 해야 합니다 (즉., 디 바인딩) 하기 전에 분말은 함께 융합 하 고 있다 (즉, 소 결).
멀티 소재 또는 다기능 컴포넌트의 오전 오전의 이점을 결합 하 고 기능 세라믹 기반 4d-구성 요소14로 재료 (FGM)13 등급. 소재 하이브리드 전기 도전성/절연, 자석/비 자석, 연 성/하드 또는 다른 colorations 같은 속성 조합을 허용합니다. 하이브리드 구성 요소 센서 또는 액추에이터 기능 MEMS (마이크로 전자 기계 시스템)15 도에서 알려진 전시 수 있습니다. 또한, 금속/세라믹 복합 재료 때문에 기존의 결합 강철 파트너를 사용할 수 있습니다 세라믹 부품 기계에 합류 보완 수 있습니다.
유럽 프로젝트 cerAMfacturing (EU 프로젝트 심장 678503)는 개발 하 고 있다 단일 소재 구성 요소에 대 한 오전 기술 뿐만 아니라의 직렬 생산 하면 다중 소재 부품의 오전에 대 한 완전히 새로운 접근 방식을 사용자 지정 하 고 다양 한 응용 프로그램12다기능 구성 요소입니다. 세 가지 다른 서 스 펜 션 기반 오전 기술 세라믹-세라믹으로 금속-세라믹 부품의 오전 있도록 정규화 됩니다. 서 스 펜 션 기반 오전 기술 활용 분말 기반 방법에 비해 향상 된 구성 요소 성능을 약속 한다. 이러한 형성 방법 높은 녹색 밀도, 고밀도 마이크로 구조와 낮은 표면 거칠기 소 결된 부품 귀 착될 항복에 분말의 입자 분포 더 균질 및 분말 침대에 보다 더 간결이 있기 때문에 레벨12.
리소 그래피 기반으로 세라믹 제조 (LCM)7,8,9,10,11,,1617, 함께 융합 하는 필 라 멘 트 제조 (FFF)와 열가 소성 3D 인쇄 (T3DP)12,,1418 개발 되고있다. FFF와 T3DP는 선택적 증 착 및 소재 전체 레이어14 온통 입금의 순수한 선택적 응고 대신 특정 재료의 응고 LCM 보다 멀티 소재 부품의 오전에 더 적합 .
FFF와 LCM에 비해 T3DP의 또 다른 이점은 사진 경화 폴리머 대신 열가 소성 바인더 시스템의 사용 이다. 바인더 시스템 수 있습니다 그들의 광학 속성 흡수, 방출 및 전자파, 예를 들어, 어둡고 밝은 자료 (눈에 보이는 범위), 생산에 필요한 반사 등의 독립적인 분말의 처리를 금속-세라믹 부품19,20. 또한, 낮은 투자는 다양 한 표준 장치를 사용할 수 있습니다 이후 FFF 장비에 대 한 필요 합니다. 이 기술은 높은 소재 효율성과 재활용 재료 경제적 된다. 마지막으로, FFF 차축에 인쇄 헤드를 이동에 의존 하는 과정 때문에 큰 부분에 대 한 고급 하기 쉽습니다.
이 문서는 FFF를 사용 하 여 금속-세라믹 복합 재료 제조의 첫 번째 결과 제공 합니다. 비록 그것은 아직 개발 또한, FFF 및 T3DP 단위 기술 조합을 제공 됩니다. FFF 과정에서 열가 소성 고분자의 필 라 멘 트 녹아 있으며 두 카운터 회전 요소의 작용에 의해 선택적으로 내밀 었 다. 재료는 압출 면 노즐을 통해, 그것은 굳은 냉각에 의해 구성 요소 계층으로 계층의 생산을 활성화. 최종 세라믹과 금속 부품을 생산 하는 과정의 변종 개발된21,22,23,,2425,26되었습니다. 세라믹 또는 금속 분말 높은 고분자 화합물, 바인더로 알려진 가득 합니다. 구성 요소 형성 실시 되었습니다 기존의 FFF 접근을 사용 하 여, 일단 두 개의 추가 단계는 필요 합니다. 첫째, 폴리머 구성 요소 제거 되어야 합니다 완전히는 표본에서 생성 하는 수많은 마이크로 크기의 숨 구멍을가지고 구조 debinding 단계에서. 마지막 속성을 달성 하기 위해 분말 소형 차는 재료의 용융 점 아래의 온도에서 소 결 했다 이후. 이 방법은, 실리콘 나이트 라 이드, 융합 된 실리 카, 압 전 세라믹, 스테인레스 스틸, 텅스텐 카바 이드-코발트, 알 루미나 또는 이산화 티타늄23,,2425 재료의 생산을 사용 하 여 성공적으로 실시 되었습니다 다른 곳.
고충 진 고분자 필 라 멘 트의 사용 및 프로세스의 특성 자료21에 특정 요구 사항을 부과 한다. 열가 소성 바인더 구성 요소 및 배포 해야 합니다 균질 유기 바인더 구성 요소, 반죽 등의 용융 점 이상의 온도에서 합성 기법을 사용 하 여 분말 사이 좋은 호환성을 제공 해야 합니다 또는 압 연 전단. 녹은 물자를 인쇄 헤드에서 피스톤 역할을 고체 필 라 멘 트 이후 높은 강성과 낮은 점도 필요 노즐을 통해 재료의 압출 전형적인 직경 0.3에서 1.0 m m까지 가능 하 게 합니다. 한편, 물자 충분 한 유연성과 강도 spooled 수 있습니다 필 라 멘 트로 모양의 수를 보유 해야 합니다. 분말의 높은 로드 하는 동안 이러한 모든 속성을 결합, 다른 다중 구성 요소 바인더 시스템이 개발21,,2226.
적절 한 바인더 정립의 사용 뿐만 아니라 새로운 운전 시스템이이 일에서 고용 되었다. 일반적으로, 이빨된 드라이브 바퀴는 노즐을 통해 필 라 멘 트를 추진 하는 데 사용 됩니다. 이러한 치아 취 성 필 라 멘 트를 손상 수 있습니다. 필 라 멘 트의 기계적 요구 사항을 줄이고 고 FFF 과정 압출 압력 증가, 이빨된 드라이브 바퀴의 기존의 FFF 시스템 특별 한 이중 벨트 시스템으로 대체 되었습니다. 높은 마찰과 지도 길이, 모양, 및 특별 한 고무 코팅 벨트의 생성 됩니다. 가장 중요 한 문제는 프린트 헤드를 통해 필 라 멘 트의 모든 변형 방지 했다. 필 라 멘 트 노즐을 유도 해야 합니다, 아니 여유 공간이 허용 되 고 구성 요소 간의 필요한 전환 고려해 야 할.
먹이 단위를 떠난 후는 필 라 멘 트 노즐 단위를 입력 합니다. 주요 목표는 설계 온도 관리 및 끊김 없는 지도 했다. 개발 된 인쇄 머리는 그림 1에 표시 됩니다.
그림 1 : 새로운 벨트 드라이브 장치 (위)와 실제 단위 (아래)의 이미지의 CAD 모델. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
또 다른 큰 도전 금속-세라믹 부품의 생산 열 처리 (열팽창 (CTE), 온도 정권, 그리고 분위기의 비교 계수) 동안 공동 처리를 허용 하는 분말의 선택에 대 한 해결 및 특히는 소 결 하는 동안 두 재료의 수축 동작의 조정 단계. 이 작품에서 시도 지 르 코니 아를 결합 하 고 이후 그들은 유사한 CTE (약 11 x 10-6/K) 하 고 동일한 조건에서 소 결 될 수 있다 스테인리스 17-4PH을 수정 (수소 분위기, 소 결 온도 감소: 1350-1400 ° C). 그러나, 수축 동작 조정, 금속 분말에 대 한 특별 한 밀링 절차는 필요한19,20입니다.
지 르 코니 아와 여기에 사용 되는 스테인레스 스틸은는 공동 소 결 금속-세라믹 부품의 비교 CTE에 때문에, 소 결 온도, 및 소 결 분위기에 매우 적합 합니다. 지 르 코니 아와 스테인레스 스틸 재료의 소 결 동작은 스테인리스 분말 (그림 9)의 치료에 의해 성공적으로 조정할 수 수 있습니다. 언급 한 재료 및 메서드를 사용 하 여 처음으로 FFF 거시적인 결함이 없는 부품을 제조 가능 하다. 저자의 지식, 다른 유사한 오전 방법 T3DP19,20제외 등 부품 제조 알려져 있다. 금속 세라믹 부품에 대 한 응용 프로그램 히터는 전기 전도 반복 스테인리스 분리 지 르 코니 아 매트릭스에는 그림 17에 표시 됩니다.
금속 및 세라믹 부품의 FFF에 대 한 주요 과제 중 하나는 경직의 증가 높은 고체 콘텐츠 인 필 라 멘 트의 취 성입니다. 따라서, 오른쪽 바인더 구성 요소 선택 프로젝트의 성공에 핵심 요소 이었다. 또한, 힘과 유연성은 필 라 멘 트의 높은 전단 혼합 기술 (그림 7)의 사용에 의해 향상 시킬 수 있습니다. 매우 채워진된 시스템28와 이전 연구에 따르면이 개선을 더 나은 분말 분산 및 응집 체29,30의 감소 때문일 수 있습니다.
조사 및 조정 하 고 필 라 멘 트 생산 과정에서 속도 스풀링 돌출의 적절 한 크기와 높은 입자 가득 필 라 멘 트의 생산을 허용. 크게 장치를 냉각의 사용 뿐만 아니라 압출 기 내의 온도 분포 같은 다른 매개 변수는 필 라 멘 트 품질에 영향을 하 고 신중 하 게 선정 됐다.
두 필 라 멘 트 FFF-장치에 성공적으로 처리 되었습니다. 재료 간의 접착 녹색 상태 (그림 7-9)에 매우 좋은 것을 발견 되었다. 일부 작은 채워지지 않은 볼륨만 보였다는 일반적으로 첨단 FFF 프로세스 (그림 13). FFF-장치 T3DP18,19,20,,3132에서 알려진 두 마이크로 분사 장치에 장착 했다 열가 소성 재료와 함께 이러한 중요 한 볼륨을, 어떤 부족 한 채워진된 볼륨을 단일 방울의 증 착으로 미세한 구조 (그림 14 와 15)의 제조를 허용 한다.
복잡 한 부분 또는 해상도의 기하학적 제한 강하게 조각화 소프트웨어 사용된 뿐만 아니라 지속적인 자료 흐름 프린터 설정에 따라 달라 집니다. 디자인 규칙 및 결과 부분 외관 대부분 FFF의 플라스틱을 사용 하 여 비슷한 것을 찾을 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
이 프로젝트는 유럽 연합의 수평선 2020 연구와 부여 계약 번호 678503에서 혁신 프로그램에서 자금을 받았다.
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 |