Fabricación aditiva negativa del complejo en forma de carburos de boro
Summary
Se utiliza un método llamado negativo fabricación aditiva para producir cerca de piezas de carburo de boro forma complejos completamente denso de varias escalas de longitud. Esta técnica es posible a través de la formulación de una nueva suspensión con resorcinol-formaldehído como un único agente gelificante que deja atrás un carbono homogéneo sinterización ayuda después de pirólisis.
Abstract
Carburo de boro (B4C) es uno de los materiales más duros en existencia. Sin embargo, esta atractiva propiedad limita también su maquinabilidad en formas complejas para alto desgaste, alta dureza y peso ligero material aplicaciones, como armaduras. Para superar este desafío, negativa fabricación aditiva (AM) se emplea para producir geometrías complejas de carburos de boro en varias escalas de longitud. AM negativa implica primero gelcasting una suspensión en un molde de plástico impreso en 3D. El molde entonces se disuelve, dejando un cuerpo verde como una copia negativa. Resinas de resorcinol-formaldehído (RF) se utiliza como gelificante novela porque a diferencia de los hidrogeles tradicionales, hay poco a ninguna contracción, que permite para que moldes extremadamente complejos ser utilizado. Además, este agente gelificante se puede pyrolyzed para dejar ~ 50 wt % de carbono, que es una ayuda altamente eficaz de sinterización para B4C. debido a esta distribución muy homogénea en situ carbono dentro de la matriz de B4C, porosidad menor al 2% se logra después de sinterizar. Este protocolo pone de relieve con detalle la metodología para la creación de cerca de piezas de carburo de boro totalmente denso con geometrías muy complejas.
Introduction
Carburo de boro (B4C), con un Vickers dureza de alrededor de 38 GPa, se conoce como la tercera más material disponible en el mercado, detrás de diamante (~ 115 GPa) y nitruro de boro cúbico (~ 48 GPa). Esta propiedad en particular, junto con una baja densidad (2,52 g/cm3), lo hace atractivo para aplicaciones de defensa como armaduras1. B4C también tiene un alto punto de fusión, resistencia de desgaste superior y absorción de neutrones alta Cruz sección2,3,4. Sin embargo, la utilización de estas propiedades mecánicas favorables requiere típicamente B4C al ser sinterizado a una alta densidad. Prensado en caliente es un método convencional para la sinterización B4C a todo densification. Esta técnica es a menudo limitada a geometrías simples con curvatura limitada y bastante uniforme de espesor. Costoso y requiere mucho trabajo mecanizado con corte láser o herramientas del diamante policristalino es necesario para introducir características más finas o más complejos.
Alternativomente, técnicas formación coloidales con menos presión de la sinterización pueden producir partes de densidad casi completo que requieren mínima no mecanizado. Debido a la falta de presión externa durante la consolidación, sinterización SIDA normalmente se añade al medio para aumentar la eficacia de la presión de la sinterización de cerámica. Carbono se utiliza comúnmente como una ayuda de sinterización para B4C5,6,7. Diversas fuentes de carbono, tales como nanopartículas polvos o materia orgánica carbonizada de pirólisis, se pueden utilizar. Distribución homogénea del carbón ayuda a lo largo de límites de grano de la sinterización es un factor importante para la obtención de sinterización uniforme B4C. Por lo tanto, concentración de carbono y tamaño de partícula de4C de B son también importantes e interrelacionan factores para sinterización de piezas de alta densidad8.
Una de las técnicas de formación coloidales más prometedores para la obtención de piezas de cerámica en forma de complejo es gelcasting. Esta técnica consiste en una suspensión de cerámica con un monómero orgánico de fundición en un molde que se polimeriza en situ para actuar como un gel9,10,11. El gel sirve como aglutinante para formar un cuerpo verde en la forma del molde que es lo suficientemente fuerte como para ser manipulados sin rotura en pasos de proceso subsecuentes. Previamente geometrías de molde 3D imposible ahora pueden ser producidos a través de bajo costo basados en polímeros aditivos (AM) de la fabricación técnicas como la estereolitografía (SLA) y deposición fundida (FDM)12de modelado. La reciente disponibilidad de impresoras 3D ha abierto nuevas posibilidades para el diseño de cerámica con geometrías muy complejas.
Negativo fabricación aditiva es una técnica que combina gelcasting con sacrificio moldes impreso en 3D. La complejidad de la pieza cerámica está directamente relacionada con la complejidad del diseño de molde. Diseños de molde ahora pueden ser increíblemente sofisticados con el advenimiento de plástico impresoras 3D de alta resolución. Por ejemplo, herramientas de exploración 3D se puede utilizar para capturar los contornos de una persona y ser incorporado en moldes. Utilizando AM negativa, se pueden crear armaduras de cerámica ligero adaptados a la forma y tamaño del cuerpo del individuo. Dichas personalizaciones diseño pueden proveer armaduras más ligeras de peso aumenta la movilidad para los usuarios.
Otras técnicas comunes de AM cerámica como tinta directa escriben (DIW), laser selectivo que sinteriza (SLS), carpeta y que echa en chorro (BJ) también son eficaces en la producción de piezas de cerámica en forma de complejo. Sin embargo, la mayoría de estas técnicas sólo es útil para la producción de finas estructuras porosas y no es eficiente cuando escala hasta grandes piezas, tales como armadura aplicaciones13,14,15,16, 17. por otra parte, la mayoría de estas técnicas no es viable para la producción de alto volumen debido a altos gastos. Por lo tanto, AM negativa es una ruta preferida y relativamente barata para la producción industrial de piezas en gran escala.
Las suspensiones de4C B utilizadas para gelcasting deben ser bajo en viscosidad y contiene un agente gelificante y ayuda de la sinterización. Resinas de resorcinol y formaldehído son elegidos por su capacidad para sufrir las reacciones de policondensación para formar una red de resorcinol-formaldehído (RF), que unen las partículas de B4C. Los hidrogeles tradicionales utilizados para gelcasting se limitan a moldes con corazones huecos debido a la alta contracción interna experimentada durante el secado de proceso18. RF se utiliza comúnmente como un aerogel, hay poco a ninguna contracción, que permite el uso de moldes más intrincado formados. Otra ventaja de usar RF es que la tasa de congelación puede ser controlada alterando el pH de la suspensión (figura 3). Además, suspensiones que contengan resorcinol o formaldehído pueden prepararse en avanzado y almacenados por separado hasta que estén listos para el casting. Lo más importante, el gel de RF se puede pyrolyzed para dejar 50 wt % carbono19. Esta distribución muy homogénea de carbono puede ayudar a la densificación de B4C a densidades casi completo durante la sinterización. 15% en peso de RF en relación con el carburo de boro se utiliza en la formulación de la suspensión para proporcionar 7,5% en peso de carbono después de pirólisis de las piezas del molde.
El objetivo general de este trabajo es combinar técnicas tradicionales de gelcasting con capacidades de impresión 3D de bajo costo y un único agente gelificante para obtener densidad casi completo de piezas de carburo de boro con geometrías muy complejas. Además de cerámica, AM negativa puede aplicarse a otros ámbitos materiales para crear geometrías totalmente nuevas de sistemas de múltiples materiales. La metodología aquí descrita se expande en el trabajo presentado en Lu et al. 8 y tiene como objetivo proporcionar un protocolo más detallado para reproducir esos resultados.
Protocol
Representative Results
Discussion
La metodología de fabricación aditiva negativo descrito en el protocolo permite piezas de carburo de boro forma complejos que se producirán en densidad casi completo después de sinterizar en una temperatura óptima de 2290 ° C. Los primeros pasos de varios relacionados con preparación y fundición son los más críticos para la generación de una alta calidad con mínimos defectos. Si la viscosidad de la suspensión es demasiado alta, se producirá la mezcla pobre. La porosidad de la pieza sinterizada también se v…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue realizado bajo los auspicios del Departamento de energía estadounidense por Lawrence Livermore National Laboratory bajo contrato DE-AC52-07NA27344. Lanzamiento IM LLNL-JRNL-750634.
Materials
| Boron carbide powder 1250F | Tetrabor Ceramics | Lot 211M419 | >96% purity |
| Boron carbide powder 1500F | Tetrabor Ceramics | Lot 209M102/9 | >96% purity |
| Boron carbide powder 3000F | Tetrabor Ceramics | Lot 111m53/9 | >96% purity |
| Polyethylene Imine (PEI) | Sigma Aldrich | MKBP3417V | Averaged MW ~25,000 by L.S. |
| Resorcinol | Sigma Aldrich | MKBG6751V | BioXtra, ≥99% |
| Formaldehyde | Fisher Scientific | F79-1 | 37% by weight; Stabilized with 10-15% Methanol |
| Acetic Acid | Sigma Aldrich | SKU 695092 | Glacial ≥99.7% |
| Acetone | Sigma Aldrich | SKU 179124 | ACS Reagent Grade ≥99.5% |
| Water | LLNL In-house (Milli-Q) | ||
| Planetary Mixer | Thinky | AR-250 | Fits 150mL and 300mL Thinky containers |
| Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) plastic filament | eSUN | Natural color | |
| Taz 6 (3D printer) | Lulzbot | FDM 3D printer | |
| 4%H2/96%Ar gas | Air Gas | UHP | 4% Hydrogen, balanced Argon |
| Helium gas | Air Gas | UHP | Helium |
| Heating oven | Neytech | Vulcan 9493308 | Oven for 80 °C curing |
| Quartz tube furnace | Applied Test Systems, Inc. | LEA 05-000075 | Furnace for 1050 °C carbonization |
| Graphite furnace | Thermal Technology LLC | Sintering furnace | |
| Scanning Electron Microscope (SEM) | Jeol | JSM-7401F | |
| pH meter | Thermo Scientific | Orion 4 Star | calibrated with buffer standards |
| Rheometer | TA Instrument | AR2000ex | For measurement of viscosity |
| X-ray Diffractometer (XRD) | Bruker | AX D8 Advanced | |
| Analytical balance | Mettler Toledo | XS104 | |
| Bruker EVA | XRD Analysis Software |
Riferimenti
- An, Q. Prediction of superstrong τ -boron carbide phase from quantum mechanics. Physical Review B. 95 (10), 100101 (2017).
- Thévenot, F. Boron carbide – A comprehensive review. Journal of the European Ceramic Society. 6, 205-225 (1990).
- Lee, H., Speyer, R. F. Pressureless sintering of boron carbide. Journal of the American Ceramic Society. 86, 1468-1473 (2003).
- Deng, J. X. Erosion wear of boron carbide ceramic nozzles by abrasive air-jets. Materials Science and Engineering: A. 408, 227-233 (2005).
- Schwetz, K. A., Grellner, W. The influence of carbon on the microstructure and mechanical properties of sintered boron-carbide. Journal of Less-Common Metals. 82, 37-47 (1981).
- Schwetz, K. A., Vogt, G. Process for the production of dense sintered shaped articles of polycrystalline boron carbide by pressureless sintering. US. , (1980).
- Suzuki, H., Hase, T., Maruyama, T. Effect of carbon on sintering of boron carbide. Journal of the Ceramic Association, Japan. 87, 430-433 (1979).
- Lu, R., et al. Complex shaped boron carbides from negative additive manufacturing. Materials & Design. 148, 8-16 (2018).
- Omatete, O. O., Janney, M. A., Nunn, S. D. Gelcasting: From laboratory development toward industrial production. Journal of the European Ceramic Society. 17, 407-413 (1997).
- Yang, J., Yu, J., Huang, Y. Recent developments in gelcasting of ceramics. Journal of the European Ceramic Society. 31, 2569-2591 (2011).
- Gilissen, R., Erauw, J. P., Smolders, A., Vanswijgenhoven, E., Luyten, J. Gelcasting a near net shape technique. Materials & Design. 21, 251-257 (2000).
- Travitzky, N., et al. Additive manufacturing of ceramic-based materials. Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).
- Zocca, A., Colombo, P., Gomes, C. M., Gunster, J. Additive Manufacturing of Ceramics: Issues, Potentialities, and Opportunities. Journal of the American Ceramic Society. 98, 1983-2001 (2015).
- Deckers, J., Vleugels, J., Kruthl, J. P. Additive Manufacturing of Ceramics: A Review. Journal of Ceramic Science and Technology. 5, 245-260 (2014).
- Costakis, W. J., Rueschhoff, L. M., Diaz-Cano, A. I., Youngblood, J. P., Trice, R. W. Additive manufacturing of boron carbide via continuous filament direct ink writing of aqueous ceramic suspensions. Journal of the European Ceramic Society. 36, 3249-3256 (2016).
- Colombo, P., Schmidt, J., Franchin, G., Zocca, A., Gunster, J. Additive manufacturing techniques for fabricating complex ceramic components from preceramic polymers. American Ceramic Society Bulletin. 96, 16-23 (2017).
- Olsson, A., Hellsing, M. S., Rennie, A. R. New possibilities using additive manufacturing with materials that are difficult to process and with complex structures. Physica Scripta. 92, 053002 (2017).
- Dhara, S., Kamboj, R. K., Pradhan, M., Bhargava, P. Shape forming of ceramics via gelcasting of aqueous particulate slurries. Bulletin of Materials Science. 25, 565-568 (2002).
- Lewicki, J. P., Fox, C. A., Worsley, M. A. On the synthesis and structure of resorcinol-formaldehyde polymeric networks – Precursors to 3D-carbon macroassemblies. Polymer. 69, 45-51 (2015).
- Swenberg, J. A., et al. Formaldehyde Carcinogenicity Research: 30 Years and Counting for Mode of Action, Epidemiology, and Cancer Risk Assessment. Toxicologic Pathology. 41, 181-189 (2013).
- Kuo, C. C., Chen, C. M., Chang, S. X. Polishing mechanism for ABS parts fabricated by additive manufacturing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 91, 1473-1479 (2017).
- Kires, M. Archimedes’ principle in action. Physics Education. 42, 484-487 (2007).
- Zheng, X., et al. Design and optimization of a light-emitting diode projection micro-stereolithography three-dimensional manufacturing system. Review of Scientific Instruments. 83, 125001 (2012).
- Franchin, G., Colombo, P. Porous Geopolymer Components through Inverse Replica of 3D Printed Sacrificial Templates. Journal of Ceramic Science and Technology. 6, 105-111 (2015).
