Her beskriver vi en protokol for additively produktion sort-hvide zirconia komponenter af termoplastisk 3D-udskrivning (CerAM – T3DP) og co sintring fejlfri.
At kombinere ydelser af tilsætningsstof fremstillingsindustrien (AM) med fordelene af funktionelt Graded materialer (FGM) til keramik-baserede 4D komponenter (tre dimensioner for geometri og en grad af frihed om materialeegenskaber på hver position) den Termoplastisk 3D-udskrivning (CerAM – T3DP) blev udviklet. Det er en direkte AM-teknologi, som giver mulighed for multi materialekomponenter AM. At demonstrere fordelene ved denne teknologi sort-hvide zirconia komponenter blev additively fremstillet og co sintret fejlfri.
To forskellige par sorte og hvide zirconia pulvere blev brugt til at forberede forskellige termoplastiske suspensioner. Passende udlevering parametre blev undersøgt for at fremstille enkelt-materiale test komponenter og justeret for tilsætningsstoffet fremstilling af multi-farve zirconia komponenter.
Funktionelt Graded materialer (FGM) er materialer med en lang række egenskaber vedrørende overgange i mikrostrukturen eller i den materielle1. Disse overgange kan være diskrete eller kontinuerlig. Forskellige slags FGM er kendt som komponenter med materielle forløb samt sorterede porøsitet og multi-farvede komponenter.
FGM-komponenter kan fremstilles af enkelt konventionelle forme teknologier2,3,4,5,6,7 eller af en kombination af disse teknologier, for eksempelvis ved-skimmel mærkning som en kombination af tape trykstøbning og sprøjtestøbning8,9.
Additive manufacturing (AM) giver mulighed for fremstilling af komponenter med en hidtil uhørt frihed i design. Dette anses for den avancerede forme teknologi for polymerer og metaller. Første kommercielle processer for forarbejdning af keramik er tilgængelige10, og næsten alle kendte AM teknologier bruges for AM af keramik i laboratorier over hele verden11,12,13.
For at kombinere fordelene ved AM med fordelene af FGM keramik-baserede komponenter, 4D (tre dimensioner for geometri og en grad af frihed om materialeegenskaber på hver position) termoplastisk 3D-udskrivning (CerAM – T3DP) er blevet udviklet på Fraunhofer IKTS i Dresden, Tyskland, som en direkte AM teknologi. Dette giver mulighed for AM multi materialekomponenter14,15,16,17. CerAM – T3DP er baseret på selektiv aflejring af enkelt dråber af partikel fyldt termoplastisk suspensioner. Ved at udnytte flere dosering systemer, forskellige termoplastiske suspensioner kan deponeres ved siden af hinanden lag på lag til at producere hovedparten materiale samt ejendom forløb inden for de additively fremstillede grønne komponenter18. I modsætning til indirekte AM processer, hvor tidligere deponerede materialer størkne selektivt over hele laget, CerAM – kræver T3DP processen ikke en yderligere indsats for at fjerne enhver ikke-solidificeret materiale forud for deposition af den næste materiale, gør den mere velegnet til AM af multi materialekomponenter.
Selvom udnytte CerAM – T3DP proces giver AM af FGM og realiseringen af keramik-baserede komponenter med enestående egenskaber, der er udfordringer at overvinde vedrørende den nødvendige termiske behandling efter AM-processen for at opnå en multi materielle sammensat. Især skal de parrede pulver i komposit-materiale være succesfuldt Co sintret, som sintring af komponenterne, der skal udføres ved samme temperatur og atmosfære. Derfor er det en forudsætning for alle materialer, har en sammenlignelig sintring temperaturen og adfærd (Start temperatur af sintring, svind adfærd). For at undgå kritiske mekanisk stress under afkøling, har koefficienten for termisk udvidelse af alle materialer til at være cirka lige11.
Kombinationen af materialer med forskellige egenskaber i et element, der åbner døren til komponenter med enestående egenskaber for mangfoldige programmer. F.eks. rustfrit stål-zirconia kompositter kan bruges som skærende værktøjer, slidstærke komponenter, energi og brændselscelle komponenter eller bipolar kirurgiske værktøjer19,20,21,22, 23,24. Sådanne komponenter kunne realiseres ved CerAM – T3DP14,15,16,17, også efter justering af sintring adfærd med en særlig fræsning proces16.
Keramik-baserede FGM med en gradueret porøsitet som tætte og porøse zirconia kombinere meget gode mekaniske egenskaber i de tætte områder med en høj aktiv overfladen af de porøse områder. Lignende komponenter kan fremstilles additively af CerAM – T3DP18.
I dette papir undersøger vi AM af zirconia komponenter med to forskellige farver i én komponent af CerAM – T3DP. Vi valgte hvid og sort zirkonia, fordi denne kombination i en keramisk komponent er interessant for smykker applikationer. Efterspørgsel af individualiserede luksusvarer er meget stor og stadig stigende. Teknologier, der tillader AM af keramik-baseret multi materielle komponenter med en høj opløsning og meget god overflade egenskaber vil gøre det muligt for at opfylde dette krav. Keramik som zirconia bruges f.eks til at producere ur komponenter som ur tilfælde og kanter eller ringe på grund af den særlige haptics, blik, hårdhed og lavere vægt i forhold til metaller.
Karakterisering af de rheologiske opførsel af smeltet suspension til høj shear priser op til 5000/s er nødvendigt, da vurderingen af betingelserne inden for brugte mikro udlevering systemer (geometri af stempel og dyse kammer, hastighed af stempel) afsløret, at snitte satser på 5000/s og højere genereres i mikro udlevering system under deposition proces25.
Undersøgelsen af de udskriftsparametre bør gøres for at hjælpe med kalibrering af dispenser til fremstilling af multi materialekomponenter. Dispenser parametres betydning på egenskaberne af materialerne, der er blevet drøftet i25. Parameter værdi grænser har kun været langsomt empirisk. Indtil videre viser erfaringen, at variansen i droplet kæde højde og bredde ikke må overstige 3%. Diameter forskelle op til 100 mikron og højdeforskelle op til 50 mikron kan kompenseres af parametre pulse bredde, droplet fusion faktor (DFF) og ekstrudering bredde (udskæring parameter).
Det er kritisk for trykprocessen at lag højder af de forskellige materialer er justeret til hinanden ved at ændre afstanden mellem enkelt dråber, da det ville resultere i en ujævnhed inden for et lag, hvis højderne af de forskellige materialer gør ikke kamp. En ujævnhed fører til store defekter og defekte komponenter. Ved at reducere afstanden mellem to dråber og de tilknyttede større overlap, bredde og højde af droplet kæde stiger på grund af den næsten konstant volumen af de enkelte dråber. Det kan konstateres, at droplet kæde bredde stiger hurtigere end droplet kæde højde. Det er ikke nødvendigt og nok ikke muligt at realisere perfekt formede hjernehalvdele som enkelt dråber, men du er nødt til at sikre ved at bestemme montering udlevering parametre at homogeniteten af droplet-dannelse er meget høj til at sikre en homogen bygning af komponenter.
Måling på 85 ° C simulerer de rheologiske opførsel af suspensioner i udlevering mikrosystemet fodring patronen. Over 90 ° C begynder nedbrydningen af bindemiddel komponenter (figur 7). Alle suspensioner vise næsten lignende adfærd. Brugte dyse temperaturen af den mikro udlevering system var 100 ° C. Denne temperatur fremmer droplet-dannelse på grund af den lave viskositet forårsaget af stigende suspensioner temperatur mens den passerer dysen. På grund af den korte hviletiden af suspensioner i dyse ved denne temperatur er nedbrydning ikke påvirke den materielle adfærd betydeligt.
Multi farvekomponenterne kunne være sintret næsten fejlfri, men for de zirconia sort – 2 og zirconia hvid – 2 pulvere farven på den hvide fase forvandlet til pink. Hidføre nemlig farveændringen er diffusion processer mellem de forskellige materialer under sintring. Dette er kun en effekt på overfladen og kan fjernes ved en slibning trin. Men dette er meget udfordrende for komplekse strukturer af AM teknologier.
Inden for multi farvekomponenterne planar og sammenvævede grænse grænseflader udviklet mellem de to forskellige kompositioner. Således, uanset drop-bundet aflejring af materialet, arrangementet af de forskellige mikrostrukturer kan realiseres meget præcist. Derudover kan figuren droplet udnyttes til at øge grænsefladen grænse mellem to materialer. Hidtil har været produceret kun diskrete materielle overgange. Fremtidig forskning kan også omfatte produktion af gradvise ændringer mellem materialer.
The authors have nothing to disclose.
Dette projekt har modtaget støtte fra EUs Horisont 2020 forskning og Innovation Program under Grant aftale nej 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 |