L'obiettivo era quello di produrre un riscaldatore a infrarossi a onde lunghe in modo additivo. Questa parte mostra l'elemento riscaldante a due componenti sinterizzazione risultante, realizzato in zirconia isolante, e l'acciaio inossidabile conduttivo elettrico prodotto da FFF. Collegando un alimentatore, il meandro metallico viene riscaldato.
Questo studio si concentra sulla produzione IT con un approccio basato sul materiale di montaggio per combinare un metallo con un siero tecnico. La combinazione di questi diversi materiali offre un'ampia varietà di applicazioni grazie alle loro diverse proprietà elettriche e meccaniche. Questa combinazione può aiutare a rispondere a domande chiave in campo medico, automobilistico e aerospaziale.
A tal fine, è stata selezionata la fabbricazione del filamento di fusibile. Il motivo principale era la possibilità di elaborare diverse polveri indipendentemente dalle loro proprietà ottiche. Inoltre, la post-lavorazione termica è simile a tecniche consolidate come lo stampaggio a iniezione di polvere, per il quale viene utilizzata un'apparecchiatura standard.
La fabbricazione del filamento fuse diventa economica grazie all'elevata efficienza del materiale e alla riciclabilità dei materiali. Infine, questa tecnica è facile da scalare per le parti più grandi poiché il processo si basa su una testa mobile e stampata sull'asse. Prima di iniziare la procedura, selezionare una coppia di polveri adatta per l'approccio multi-materiale.
Per il grado ceramico, selezionare la zirconia stabilizzata dell'yttria tetragonale, a causa del coefficiente di espansione termica e della temperatura di sinterizzazione paragonabile a speciali acciai inossidabili, nonché dell'elevata tenacità e resistenza flessiva di questo materiale ceramico. Per il tipo di metallo specifico, utilizzare la polvere di acciaio inossidabile come materiale metallico conduttivo e duttile a causa del suo coefficiente comparabile di espansione termica e di una gamma simile di temperature di sinterizzazione a quelle della zirconia in un'atmosfera protettiva di idrogeno e in una speciale procedura di fresatura. Per ottenere una co-sinterizzazione senza stress, applicare la fresatura ad attrito per 180 minuti sulle particelle sferiche in acciaio inossidabile per rimodellare le particelle in fiocchi sottili e fragili.
Quindi, eseguire la fresatura planetaria delle 240 minuti sui fiocchi fragili per rompere i fiocchi in particelle a grana molto fine con un rapporto di aspetto ridotto, ma una maggiore capacità di sinterizzazione. Precompittare la materia prima in un miscelatore di rotori a rulli. Pertanto, la polvere deve essere mescolata con un sistema di legante multicomponente ottenendo la materia prima con un carico solido del 47 percento del volume.
Dopo la pre-mescolatura, il materiale freddo e solido deve essere granulato in un treno da taglio. Compound il materiale ad alte velocità di taglio per migliorare la dispersione, ad esempio in un estrusore a doppia vite co-rotante, come mostra l'immagine. Raccogliere il materiale con un nastro trasportatore e raffreddarlo a temperatura ambiente.
Alla fine del nastro trasportatore, i due fili a forma rotonda vengono pellettizzati. La linea di estrusione mostrata nell'immagine viene utilizzata per produrre il filamento. Nell'estrusore a vite singola, il materiale viene fuso e il filamento viene estruso attraverso un ugello con un diametro di almeno 1,75 millimetri.
Quindi, un filamento viene raccolto con un nastro trasportatore PTFE. Per lo spooling del materiale, un'unità viene posizionata all'estremità del nastro trasportatore per lo spooling automatico. Misurare e controllare le dimensioni del filamento tra l'unità di trazione e spooling.
Per la FFF sono necessari filamenti con un intervallo di diametro da 1,70 a 1,80 millimetri e ovalilità inferiori a 0,10 millimetri. Per una particolare velocità di estrusione, regolare progressivamente il nastro trasportatore e le velocità di trazione per regolare le dimensioni. Dopo aver creato il file CAD, il G-COD deve essere generato utilizzando un software di affezione.
Nel software vengono definiti il diametro dell'ugello, le altezze dello strato, la velocità di stampa e la temperatura di stampa. In una modalità di anteprima, la produzione può essere dimostrata strato per strato. Il materiale ceramico è blu e il metallo è di colore verde.
Per la produzione additiva dei componenti multi-materiale, in primo luogo, correggere ogni possibile disallineamento degli ugelli nel software della stampante 3D. Per la produzione dei componenti, caricare la testina di stampa uno con il filamento di zirconia e la testina di stampa due con il filamento in acciaio inossidabile. Utilizzo di una velocità della testina di stampa di 10 millimetri al secondo e di una temperatura del letto di stampa di 20 gradi Celsius per entrambi i filamenti.
Quindi, impostare la temperatura della testina di stampa zirconia a 220 gradi Celsius e la temperatura della testina di stampa in acciaio inossidabile a 240 gradi Celsius. Per la produzione multi-materiale, alternare il caricamento della testina di stampa per ottenere due o tre strati diversi. Per la delegatura dei componenti, immergere prima il campione in 60 gradi Celsius cicloesano per otto ore per rimuovere un contenuto di legante solubile di circa 7-9 percentuali di peso.
Quindi, trasferire i campioni in un forno di tungsteno ad alta temperatura in un atmoshpere riducente dell'80% di argon e del 20% di idrogeno, per un tempo di dimora di tre ore per la sinterizzazione dei materiali, seguito dal raffreddamento del forno a temperatura ambiente. Durante la sinterizzazione, le parti si restringono di circa il 45% in volume e, a causa dell'atmosfera riducente, la zirconia si trasforma in colore nero. Le proprietà finali della parte vengono ottenute dopo questo passaggio applicando una fonte di energia elettrica.
Il percorso metallico agisce come un riscaldatore di resistenza mentre la zirconia isolante lo copre. La microstruttura è stata studiata utilizzando un microscopio elettronico a scansione. La micrografia della parte a due componenti sinterizzazione mostra la microstruttura metallica nella parte superiore e quella ceramica nella sezione inferiore.
Tra i due materiali si verificano fasi miste, fornendo il legame materiale tra metallo e ceramica. I migliori risultati di montaggio per il comportamento di sinterizzazione dell'acciaio inossidabile si ottengono con un tempo di fresatura dell'attrito di 180 minuti e un tempo di fresatura planetaria della 240 minuti. Qui viene mostrato il confronto del comportamento di sinterizzazione della polvere di acciaio iniziale e fresata con il comportamento di sinterizzazione della polvere di zirconia.
Ovviamente, la polvere metallica fresata mostra una buona vestibilità nel comportamento di sinterizzazione rispetto a quella della zirconia. L'unione della materia prima di zirconia in un estrusore a vite doppia si traduce in una maggiore resistenza alla trazione finale e allungamento alla massima resistenza alla trazione del materiale. Ma un modulo secante inferiore rispetto a quando il materiale è composto in un miscelatore di rotori a rulli.
Per i filamenti di zirconia, un buon controllo delle dimensioni può essere ottenuto durante l'estrusione, mentre per i filamenti contenenti la polvere di acciaio inossidabile modificata, si osserva una maggiore variabilità del diametro medio del filamento. In questa figura: si possono osservare un campione di zirconia pura, un campione di acciaio inossidabile puro e un composito ceramico in acciaio sinterato e ben unito. Grazie al sistema di legante simile di entrambi i materiali, è possibile fondere strati specifici a una parte composita monolitica.
Ad esempio, qui viene mostrata una parte più grande a forma rotonda con transizioni nitide. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha spianato la strada alle ricerche nel campo dei collettori per sviluppare materiali da utilizzare per produrre in prodotti chirurgici, automobilistici o persino di consumo. I risultati mostrano un approccio permissivo alla produzione di semicomposti metallici utilizzando la fabbricazione di filamenti di fusibili che generano proprietà isolanti elettricamente conduttive ed elettriche in un unico componente.
