Her beskriver vi en protokoll for additively produksjon svart-hvitt zirconia komponenter av termoplastisk 3D-utskrift (CerAM – T3DP) og co sintring defekt-free.
Kombinere fordelene av additiv produksjon (AM) med fordelene av funksjonelt gradert materiale (FGM) til keramisk-basert 4D komponenter (tre dimensjoner for geometri og en grad av frihet om materielle egenskapene på hver posisjon) den Termoplastisk 3D-utskrift (CerAM – T3DP) ble utviklet. Det er en direkte AM-teknologi som lar AM multi-materiale komponenter. Å demonstrere fordelene av denne teknologien svart-hvitt zirconia komponenter ble additively produsert og co sintret defekt-free.
To forskjellige par svarthvite zirconia pulver ble brukt til å forberede ulike termoplastisk suspensjoner. Aktuelle dispensering parametere ble undersøkt for å produsere én-materiale test komponenter og justert for additiv produksjon av multi-farge zirconia komponenter.
Gradert materiale (FGM) er funksjonelt materialer med en rekke egenskaper om overganger i mikrostrukturen eller den materielle1. Disse overganger kan være diskret eller kontinuerlig. Ulike typer FGM er kjent, som komponenter med materiale graderinger, gradert porøsitet samt flerfargede komponenter.
FGM-komponenter kan produseres av enkel konvensjonelle forme teknologier2,3,4,5,6,7 eller en kombinasjon av disse teknologiene, for eksempel ved-mold merking som en kombinasjon av tape støping og injeksjon molding8,9.
Additive industrien (AM) tillater for produksjon av komponenter med en hittil enestående handlingsfrihet design. Dette regnes toppmoderne forme teknologien for polymerer og metaller. Første kommersielle prosesser for behandling av keramikk er tilgjengelig10, og nesten alle kjente AM teknologi brukes for av keramikk i laboratorier over hele verden11,12,13.
Hvis du vil kombinere fordelene med AM med fordelene av Kjønnslemlestelse keramisk-basert 4D komponenter (tre dimensjoner for geometri og en grad av frihet om materielle egenskapene på hver posisjon) termoplastisk 3D-utskrift (CerAM – T3DP) har blitt utviklet ved Fraunhofer IKTS i Dresden, Tyskland, som en direkte AM-teknologi. Dette gjør AM multi-materiale komponenter14,15,16,17. CerAM – T3DP er basert på selektiv avsetning av enkelt dråper av partikkel fylt termoplastisk suspensjoner. Ved å benytte flere dosering systemer, ulike termoplastisk suspensjoner kan settes ved siden av hverandre lagvis å produsere bulk materiale og egenskapen graderinger i additively produserte grønne komponenter18. I motsetning til indirekte AM prosesser, som tidligere avsatt materialer stivne selektivt over hele laget, av CerAM – krever T3DP prosessen ikke den ekstra innsatsen for å fjerne ikke-befestet materiale før deponering av neste materialet, gjør det mer egnet for AM multi-materiale komponenter.
Selv om bruk av CerAM – T3DP prosess kan AM av Kjønnslemlestelse og realisering av keramikk-baserte komponenter med enestående egenskaper, det er utfordringer å overvinne om nødvendig termisk behandling etter AM prosessen, for å få en Multi-materiale sammensatt. Spesielt må de sammenkoblede pulver i komposittmateriale være vellykket co sintret, som sintring komponentene må utføres ved samme temperatur og atmosfære. Derfor er det en forutsetning for alle materialer å ha en sammenlignbare sintring temperaturen og atferd (starter temperaturen sintring, krymping virkemåte). For å unngå kritiske mekanisk stress under nedkjøling, må koeffisient av termisk ekspansjon av alle materialer være omtrent lik11.
Kombinasjonen av materialer med ulike egenskaper i én komponent åpner døren til komponenter med enestående egenskaper for mange programmer. Eksempel rustfritt stål-zirconia kompositter kan brukes som skjærende verktøy, slitesterkt komponenter, energi og brenselcelle komponenter eller bipolar kirurgiske verktøy19,20,21,22, 23,24. Slike komponenter kan bli realisert av CerAM – T3DP14,15,16,17, også, etter justering av sintring virkemåten av en spesiell fresing prosessen16.
Keramisk-basert FGM med en gradert porøsitet som tett og porøs zirconia kombinere svært gode mekaniske egenskaper i tette områder med høy aktiv overflate av porøse områder. Slik som komponentene kan produseres additively av CerAM – T3DP18.
I dette papiret undersøke vi AM zirconia komponenter med to forskjellige farger i én komponent av CerAM – T3DP. Vi valgte hvite og svarte zirconia fordi denne kombinasjonen i en keramisk komponenten er interessant for smykker programmer. Etterspørselen av individualisert luksusvarer er svært høy og fortsatt økende. Teknologi som tillater AM keramisk-basert multi-materiale komponenter med en høy oppløsning og svært god overflateegenskaper vil tillate for å tilfredsstille dette behovet. Keramikk som zirconia brukes for eksempel til å produsere se komponenter som ur tilfeller og rammer eller for ringene på grunn av den spesielle haptics, blikk, hardhet og lavere vekt sammenlignet med metaller.
Karakterisering av reologiske virkemåten til smeltet suspensjon på høy skjæring priser til 5000/s er nødvendig siden vurdering av betingelsene i brukte mikro dispensing systemer (geometri av stempelet og munnstykke kammer, hastighet av stempelet) avslørte at skjær priser på 5000/s og høyere genereres i mikro dispensing systemet under deponering prosessen25.
Etterforskningen av utskriftsparametrene bør gjøres for å hjelpe med kalibrering av dispenser for produksjon av multi-materiale komponenter. Påvirkning av parameterne dispenser på egenskapene til materialet har vært diskutert i25. Parameteren verdien grenser har bare vært determent empirisk. Erfaring viser så langt at variansen i slippverktøy kjeden høyden og bredden ikke må overstige 3%. Diameter forskjeller opp til 100 mikron og høyde forskjeller til 50 mikron kan kompenseres av parametere pulsbredde, slippverktøy fusion faktor (d-VIPPEN) og ekstrudering bredde (kutting parameteren).
Det er viktig for utskriftsprosessen at lag høydene av forskjellige materialer justeres til hverandre ved å endre avstanden mellom de enkelt dråpene, siden det ville resultere i en ujevnheter i et lag hvis høydene av forskjellige materialer ikke passer. En ujevnheter fører til store feil og defekte komponenter. Ved å redusere avstanden mellom to dråper og tilknyttede større overlappingen, bredden og høyden av slippverktøy kjeden øker på grunn av nesten konstant antall enkelt dråpene. Det kan være observert at slippverktøy kjeden bredden øker raskere enn slippverktøy kjeden høyden. Det er ikke nødvendig og sannsynligvis ikke mulig å realisere perfekt formet halvkuler som enkelt dråper, men du må kontrollere at ved å bestemme montering dispensing parametere at homogenitet av slippverktøy dannelsen er svært høy garantere en homogen byggingen av komponentene.
Målingen på 85 ° C simulerer reologiske virkemåten til suspensjoner i fôring patronen av dispensering mikroanlegget. Over 90 ° C begynner nedbryting av bindemiddel komponentene (figur 7). Alle suspensjoner viser nesten tilsvarende oppførsel. Brukte munnstykke temperaturen av dispensering mikroanlegget var 100 ° C. Denne temperaturen fremmer slippverktøy dannelsen på grunn av lav viskositet skyldes økende suspensjoner temperaturen mens bestått munnstykket. På grunn av korte holdetiden hjuloppheng i munnstykket ved denne temperaturen påvirker nedbryting ikke den materielle problemet betydelig.
Multi-farge komponentene kan være sintret nesten feilfrie, men for de zirconia svart – 2 og zirconia hvit – 2 pulver fargen på den hvite fasen omgjort til rosa. Årsaken for fargeendring er diffusjon prosesser mellom forskjellige materialer under sintring. Dette er bare en effekt på overflaten kan fjernes med en sliping trinnet. Men dette er svært utfordrende for komplekse strukturer laget av AM teknologier.
I multi-farge komponentene plan og sammenvevde grensen grensesnitt utviklet mellom de to forskjellige komposisjonene. Dermed uansett slipp-bundet avsetning av materialet, kan arrangement av de forskjellige microstructures realiseres meget presist. Videre kan slippverktøy figuren utnyttes for å øke grensen grensesnittet mellom to materialer. Så langt er bare diskret materiale overganger produsert. Fremtidig forskning kan også innebære produksjon av gradvise endringene mellom materialer.
The authors have nothing to disclose.
Dette prosjektet har mottatt finansiering fra EUs horisonten 2020 forskning og innovasjon programmet under Grant avtalen ingen 678503.
Material | |||
Zirconia black – 1 | TZ-3Y-Black | Tosoh | |
Zirconia black – 2 | ZirPro ColorYZ Black | Saint Gobain | |
Zirconia white – 1 | TZ-3Y-Black | Tosoh | |
Zirconia white – 2 | ZirPro ColorYZ Arctic White | Saint Gobain | |
Equipment | |||
laser diffractometer | Mastersizer 2000 | Malvern Instruments Ltd., United Kingdom | |
dissolver | DISPERMAT CA 20-C | VMA-Getzmann GmbH, Germany | |
rheometer | Modular Compact Rheometer MCR 302 | Anton Paar, Graz, Austria | |
micro dispensing system | MDS 3250 | Vermes, Germany | |
T3DP-device | IKTS-T3DP-device "TRUDE", in-house development | Fraunhofer IKTS, not commerzialized | |
profile scanner | LJ-V7020 | Keyence | |
Slicer 1 | Slic3r | open source software | |
Slicer 2 | Simplify3D | Simplofy3D | |
debinding furnace | NA120/45 | Nabertherm, Germany | |
sintering furnace | LH 15/12 | Nabertherm, Germany | |
FESEM | Gemini 982 | Zeiss, Germany |