Här beskriver vi ett protokoll för additivt tillverkning svartvita zirconia komponenter av termoplastiska 3D-Printing (CerAM – T3DP) och samtidig sintring felfri.
Att kombinera fördelarna av additiv tillverkning (AM) med fördelarna av funktionellt graderade material (Könsstympning) för keramik-baserade 4D komponenter (tre dimensioner för geometri och en grad av frihet som rör den materiella rekvisitan på varje position) den Termoplastiska 3D-Printing (CerAM – T3DP) utvecklades. Det är en direkt AM-teknik som tillåter AM av multi-material komponenter. Att demonstrera fördelarna med denna teknik svartvita zirconia komponenter additivt tillverkades och samtidig sintrad felfri.
Två olika par av svart och vit zirconia pulver användes för att förbereda olika termoplastiska suspensioner. Förbestämda parametrarna utreddes för att tillverka singel-material test komponenter och justerat för additiv tillverkning av flerfärgade zirconia komponenter.
Funktionellt graderade material (KKS) är material med en mängd egenskaper om övergångar i mikrostrukturen eller den materiella1. Dessa övergångar kan vara diskreta eller kontinuerlig. Olika typer av kvinnlig Könsstympning är kända, såsom komponenter med materiella övertoningar, graderade porositet samt flerfärgade komponenter.
Kvinnlig Könsstympning-komponenter kan tillverkas genom enda konventionella forma teknik2,3,4,5,6,7 eller genom en kombination av dessa tekniker, för exempel genom in-mould Labelling som en kombination av tape casting och formsprutning8,9.
Additiv tillverkning (AM) möjliggör produktion av komponenter med en hittills oöverträffad designfrihet. Detta anses den toppmoderna forma teknik för polymerer och metaller. Första kommersiella processer för bearbetning av keramik är tillgänglig10, och nästan alla kända AM tekniker som används för AM keramik i laboratorier över hela världen11,12,13.
Om du vill kombinera fördelarna med AM med fördelarna med kvinnlig Könsstympning att keramik-baserade 4D komponenter (tre dimensioner för geometri och en grad av frihet som rör den materiella rekvisitan på varje position) termoplastiska 3D-utskrift (CerAM – T3DP) har utvecklats vid Fraunhofer IKTS i Dresden, Tyskland, som en direkt AM-teknik. Detta tillåter AM multi-material komponenter14,15,16,17. CerAM – T3DP bygger på selektiv nedfall av enstaka droppar av partikel fylld termoplastiska suspensioner. Genom att utnyttja flera doseringssystem, olika termoplastiska suspensioner kan deponeras bredvid varandra lager av lager att producera bulk materiellt liksom boendet lutningar inom de additivt tillverkade gröna komponenter18. Till skillnad från indirekta AM processer, där tidigare deponerade material stelna selektivt över hela lagret, CerAM – kräver T3DP processen inte den extra ansträngningen att ta bort alla icke-solidifierat materialet före nedfall av nästa materialet, vilket gör den mer lämplig för AM av multi-material komponenter.
Trots att utnyttja CerAM – T3DP processen tillåter AM av kvinnlig Könsstympning och förverkligandet av keramik-baserade komponenter med oöverträffade egenskaper, finns det utmaningar att övervinna angående nödvändiga värmebehandling efter AM processen, för att erhålla en multimaterial komposit. Särskilt behöver de parade pulver i kompositmaterialet vara framgångsrikt samarbete sintrad, för vilka den sintring av komponenter måste utföras vid samma temperatur och atmosfär. Därför är det en förutsättning för allt material till en jämförbar sintring temperatur och beteende (start temperatur av sintring, krympning beteende). För att undvika kritiska mekanisk stress under kylning, måste koefficienten för termisk expansion av allt material vara ungefär lika11.
Kombinationen av material med olika egenskaper i en komponent öppnar dörren till komponenter med oöverträffade egenskaper för många applikationer. T.ex. rostfritt stål-zirconia kompositer kan användas som skärverktyg, slitstarka komponenter, energi och bränsle cell komponenter eller som bipolär kirurgiska verktyg19,20,21,22, 23,24. Sådana komponenter skulle kunna realiseras genom CerAM – T3DP14,15,16,17, också, efter justering av sintring uppförandet av en särskild fräsning processen16.
Keramik-baserade kvinnlig Könsstympning med graderad porositet som tät och porösa zirconia kombinera mycket bra mekaniska egenskaper i täta områden med en hög aktiv yta av porösa områden. Liknande komponenter kan additivt tillverkas av CerAM – T3DP18.
I detta papper undersöker vi AM av zirconia komponenter med två olika färger i en komponent av CerAM – T3DP. Vi valde vitt och svart zirconia eftersom denna kombination i en keramisk komponent är intressant för smycken applikationer. Efterfrågan av individualiserad lyxvaror är mycket hög och växer fortfarande. Teknik som tillåter AM av keramik-baserade multi-material komponenter med hög upplösning och mycket bra ytegenskaper gör det möjligt för att tillgodose denna efterfrågan. Keramik som zirconia används till exempel att producera klocka komponenter som boetter och beslag eller för ringar på grund av den speciella haptik, blick, hårdhet och lägre vikt jämfört med metaller.
Karakterisering av de reologiska beteenden av smält upphängning på hög skjuvning priser upp till 5000/s är nödvändig eftersom bedömningen av villkoren inom begagnade micro dispenseringssystem (geometri av kolven och munstycke kammare, hastighet av kolv) avslöjade att skeva priser på 5000/s och högre genereras i mikro dispensering system under de nedfall process25.
Utredningen av utskriftsparametrarna bör göras för att hjälpa med kalibrering av dispensern för tillverkning av multi-material komponenter. Påverkan av parametrarna dispenser på egenskaperna hos material har diskuterats i25. Parameter värde gränser bara varit fast besluten empiriskt. Erfarenheterna visar hittills att variansen i droplet kedja höjd och bredd inte bör överstiga 3%. Diameter skillnader upp till 100 µm och höjdskillnader upp till 50 mikrometer kan kompenseras av parametrar pulsbredd, droplet fusion faktor (DFF) och extrudering bredd (skivning parameter).
Det är viktigt för utskriftsprocessen att lager höjderna av olika material är anpassade till varandra genom att ändra avståndet mellan enstaka droppar, eftersom det skulle resultera i en ojämnheter inom ett lager om höjderna av de olika material som gör inte matchen. Ett ojämnheter leder till stora brister och felaktiga komponenter. Genom att minska avståndet mellan två droppar och associerade större överlappning, bredd och höjd av droplet kedjan ökar på grund av enstaka droppar nästan konstant volym. Det kan noteras att droplet kedja bredd ökar snabbare än droplet kedja höjd. Det är inte nödvändigt och förmodligen inte möjligt att inse perfekt formade halvklot som enstaka droppar, men du måste se till genom att bestämma tillbehöret dispensering parametrar att enhetligheten av droplet bildandet är mycket hög för att garantera en homogen byggnad av komponenter.
Mätningen på 85 ° C simulerar upphävanden i utfodring patronen av micro doseringssystemet reologiska beteende. Över 90 ° C börjar nedbrytningen av bindemedel komponenter (figur 7). Alla suspensioner visar nästan liknande beteende. Använda munstycket temperaturen av micro doseringssystemet var 100 ° C. Denna temperatur främjar bildandet droplet på grund av låg viskositet orsakas genom att öka suspensioner temperaturen stundbortgång munstycket. På grund av korta varaktigheten av suspensioner inom munstycket vid denna temperatur påverkar nedbrytningen inte avsevärt materiellt beteendet.
De flerfärgade komponenterna kunde vara sintrad nästan felfri, men för de zirconia svart – 2 och zirconia vit – 2 pulver färg på den vita fasen förvandlas till rosa. Orsaka för färgförändring är diffusion processer mellan de olika materialen under sintring. Detta är bara en effekt på ytan och kan tas bort genom en slipsteget. Men detta är mycket utmanande för komplexa konstruktioner av AM technologies.
Inom de flerfärgade delarna planar och sammanvävda gränsen gränssnitt utvecklas mellan de två olika kompositionerna. Således, oavsett drop-bundna nedfall av materialet, ordningen av de olika mikrostrukturer kan realiseras mycket exakt. Droplet formen kan dessutom utnyttjas för att öka gränsen gränssnittet mellan två material. Hittills har endast diskreta material övergångar producerats. Framtida forskning kan också innebära att produktionen av gradvisa förändringar mellan material.
The authors have nothing to disclose.
Detta projekt har beviljats medel från EU: s Horizon 2020 forsknings- och innovationsprogrammet under Grant avtal nr 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 |