Name: multi-material ceramic-based components &#8211; additive manufacturing of black-and-white zirconia components by thermoplastic 3d-printing (ceram - t3dp)
Uploaded: 2019-01-07T14:00:00
Duration: 8 min 29 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Multi-material Ceramic-Based Components Ã¢â‚¬â€œ Additive Manufacturing of Black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing CerAM - T3DP at Jo

Ce projet reçoit une subvention de l’Union européenne Horizon 2020 programme de recherche et l’Innovation en vertu de l’accord de subvention N° 678503.

1. thermoplastique Suspension pour CerAM - T3DP
<ol><li>Sélection des poudres<ol>
<li>Pour la préparation des suspensions thermoplastiques noires utiliser zircone noir poudres zircone noire - 1 et zircone noire - 2.
</li>
		<li>Pour la préparation des suspensions thermoplastiques blanches utilisez zircone blanche - 1 et la zircone blanche - 2. NOTE : Le fabricant de zircone noire - 2 utilise des pigments (4,2 wt.-%) pour la coloration de la zircone et affirme également que les deux poudres ont le même comportement de frittage. En outre, le pourcentage élevé d’alumine (20.43 wt.-%) contribue à la couleur blanche des zircone blanche - 2. Les poudres zircone noire - 1 et la zircone blanche - 1 ont une composition différente et nécessitent une température de frittage différente pour la densification complète. Contrairement à la zircone blanche - 1, zircone noire - 1 se compose dans la plupart des pigments de wt.-% 5. La température recommandée de frittage est 1400 ° C pour la zircone noire - 1 et 1350 ° C pour la zircone blanche - 1.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Caractériser les poudres au sujet de la forme, de superficie et de la distribution granulométrique. Remarque : Les images de microscopie électronique balayage ont été utilisés pour caractériser la forme des particules. La répartition granulométrique des poudres utilisées a été mesurée par une méthode de diffraction laser (laser diffractomètre). Les mesures pour les propriétés de surface spécifiques des poudres utilisées ont été fournies par le fabricant.</li>
	<li>Pour la préparation des suspensions différents zircone fondre un mélange de paraffine et de cire à une température de 100 ° C dans un chauffable dissolver et homogénéiser le mélange polymère.<ol>
<li>Ajoutez ensuite la poudre en plusieurs étapes pour atteindre une teneur en poudre de vol.% 40.</li>
		<li>Homogénéiser le mélange polymère-poudre en agitant pendant 2 h à 100 ° C. S’assurer que toutes les suspensions ont la même teneur en poudre (40 vol.%).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Caractérisation des suspensions<ol>
<li>Caractériser le comportement rhéologique de la suspension de fondu à l’aide d’un rhéomètre pour des vitesses de cisaillement dans une fourchette comprise entre 0-5 000/s pour différentes températures dans une fourchette comprise entre 85 ° C et 110 ° C. NOTE : Nous avons utilisé un rhéomètre réglable entre-25 ° C à 200 ° C avec une plaque/mesure (25 mm de diamètre). Le couple a été mesuré, et la viscosité dynamique a été calculée.</li>
		<li>Tracer la viscosité dynamique en fonction de la vitesse de cisaillement et de s’assurer que la viscosité dynamique est inférieure à 100 pa.s pour un taux de cisaillement de 10/s, 20 pa.s pour un taux de cisaillement de 100/s et sous 1 pa.s pour un taux de cisaillement de 5 000/s ou augmentation du température dans la plage autorisée.</li>
		<li>Modifier la composition de la suspension en ajoutant le mélange polymère si la viscosité dynamique est trop élevée, même pour une température de 110 ° C.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. fabrication de composants simples et multi-matériaux de CerAM - T3DP
<ol><li>Dispositif utilisé La figure 1 montre un dessin CAO de la CerAM usagés - T3DP-dispositif avec un scanner de profil et de trois différentes micro systèmes de distribution, qui peuvent fonctionner simultanément ou alternativement. Deux d'entre eux permet de produire des composants en noir et blanc.<ol>
<li>Réglé la déposition des gouttelettes sur une fréquence jusqu'à 100/s et les axes se déplacer avec une vitesse maximale de 20 mm/s.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Étude des paramètres de déposition Étudier l’influence des paramètres de déposition (vitesses de la microchaîne distribution ; températures du réservoir de suspension et de la buse ; vitesse de l’axe de travail) sur les propriétés des gouttelettes qui en résulte (forme, volume, homogénéité) ou gouttelettes chaînes (forme, volume, homogénéité).<ol>
<li>Varier les paramètres de dépôts et dépôts des gouttelettes unique ainsi que des chaînes de gouttelettes en utilisant différentes fréquences et des vitesses d’axes pour les dépôts. Remarque : L’influence des paramètres du distributeur sur les propriétés des matériaux a été discutée avant le25. Limites de valeur de paramètre n’ont été déterminées empiriquement.</li>
		<li>Assurez-vous que que la variance des gouttelettes chaîne height et width ne devrait pas dépasser 3 %. Varier la largeur d’impulsion de paramètres, facteur de fusion de gouttelettes (DFF) et largeur d’extrusion (tranchage paramètre) pour compenser le diamètre différences jusqu'à 100 microns et les différences de hauteur jusqu'à 50 microns. Remarque : Il n’est pas nécessaire et sans doute pas possible de réaliser des hémisphères parfaitement en forme sous forme de gouttelettes unique, mais vous devez vous assurer que l’homogénéité de la formation de gouttelettes est très élevée pour garantir une construction homogène des composants.</li>
		<li>Répétez cette étape avec différents paramètres initiaux pour trouver un jeu de paramètres qui donne la forme de gouttelettes plus homogène en ce qui concerne le diamètre des gouttelettes, width et height.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Fabrication de composants de test unique-matériel<ol>
<li>Utiliser un modèle 3D généré de la pièce désirée et enregistrez le fichier sous le format de fichier STL ou AMF.</li>
		<li>Utilisez un programme tranchage ( trancheuse 1 ou 2 Slicer) pour générer le G-code correspondant. Définissez les propriétés de la forme de gouttelettes acquis à l’étape 2.2.</li>
		<li>Télécharger le G-code et renseignez les paramètres de processus pour le CerAM - T3DP-périphérique. Réglez le CerAM - T3DP-device pour les paramètres obtenus à l’étape 2.2 qui correspondait à la forme de gouttelettes à la trancheuse. Démarrez le logiciel du périphérique pour démarrer le travail de construction. Remarque : Il est bénéfique pour la fabrication de certains échantillons de test avant de générer la partie désirée ou à l’aide de nouvelles suspensions.</li>
	</ol>
</li>
	<li>CerAM - T3DP des composants multimatériaux<ol>
<li>Pour chaque matière concernée exécuter étape 2.2.</li>
		<li>Sélectionnez paramètres de dosage pour les deux matériaux qui ont approximativement les mêmes caractéristiques de gouttelettes.</li>
		<li>Ajuster la hauteur de la couche en changeant la distance entre les gouttelettes unique et le chevauchement qui en résulte pour éviter des différences de hauteurs pour les différents matériaux, ce qui peuvent entraîner de gros défauts et composants défectueux. Remarque : En réduisant la distance entre deux gouttelettes et le chevauchement associé à une plus grande, la largeur et la hauteur de la chaîne de la goutte augmente en raison du volume quasi constant des gouttelettes unique. On observe que la largeur de chaîne goutte augmente plus rapidement que la hauteur de chaîne de gouttelettes.</li>
		<li>Utiliser un modèle 3D généré de la pièce désirée, puis enregistrez le fichier sous forme de fichiers de l’AMF. Si pris en charge par le segment multiples facettes peuvent également être enregistrées au format de fichier STL.</li>
		<li>Pour pouvoir imprimer les matériels multiples composants, affecter les zones correspondantes de composant au matériel connexe dans le logiciel de tranchage en allouant un correspondant micro système de distribution pour chaque matériau.</li>
		<li>Générer les codes G pour chaque matériau en utilisant le logiciel de la trancheuse.</li>
		<li>Télécharger le G-code et renseignez les paramètres de processus pour le CerAM - T3DP-périphérique. Réglez le CerAM - T3DP-device pour les paramètres obtenus à l’étape 2.2 qui correspondait à la forme de gouttelettes à la trancheuse. Démarrez le logiciel du périphérique pour démarrer le travail de construction.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Co-déliantage et co frittage de Single - et Multi - anti-Material composants
<ol><li>Debind les échantillons verts dans les étapes suivantes séparées.<ol>
<li>Placer d’abord les échantillons dans un vrac de poudre d’alumine à grain grossier (lit de poudre) pour soutenir structurellement les échantillons ainsi que pour assurer une distribution homogène de la température et à promouvoir l’élimination des matières liant par des forces capillaires.</li>
		<li>Effectuer un déliantage avec un taux très faible de chauffage dans un four (four de déliantage) sous atmosphère d’air jusqu'à 270 ° C. Fixer le taux de chauffage à 4 K/h pour assurer un déliantage sans défaut.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Après cette première étape déliantage retirer délicatement la poudre de literie par exemple avec une brosse fine. Placer les échantillons sur meuble four alumine.</li>
	<li>Appliquer une deuxième démarche déliantage sous atmosphère jusqu'à 900 ° C (12 K/h) dans le même four. Remarque : Tous les matériaux de liant organique restants ont été retirés thermiquement, alors qu’au sein de la même étape une avant frittage des particules zircone a été lancé afin de permettre le transfert ultérieur des échantillons à un four de frittage.</li>
	<li>Enfin, fritter les échantillons sous air-atmosphère à 1 350 ° C (180 K/h) pendant 2 h dans un four approprié (four de frittage). Caractériser le rétrécissement des composants de mesure de la longueur en trois dimensions et s’assurer qu’il est environ 20 % pour chaque direction.</li>
</ol>4. caractérisation des composants simples et Multi - anti-Material
<ol><li>Couper les échantillons correctement et polir la surface à l’aide de méthodes céramographique.</li>
	<li>Appliquer des enquêtes sur la microstructure à l’aide de la microscopie électronique à émission de champ (FESEM).</li>
	<li>Inspecter visuellement la porosité des deux phases et à l’interface de limite des matériaux utilisés. Pour obtenir un résultat plus d’effectuer une analyse de l’interface, par exemple en FESEM et l’analyse subséquente photo d’étudier la porosité au sein de la microstructure frittée. La porosité ciblée est inférieur à 1 %. Si la porosité est trop élevée, modifier le paramètre de dépôts en hausse (2.2) ou le régime de traitement thermique (3).</li>
</ol>

<ol>
	<li>Kieback, B., Neubrand, A., Riedel, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Processing+techniques+for+functionally+graded+materials.">Processing techniques for functionally graded materials.</a> Materials Science and Engineering - A. 362 (1-2), 81-106 (2003).</li><li>Mortensen, A., Suresh, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functionally+graded+metals+and+metal-ceramic+composites:+Part+1+Processing.">Functionally graded metals and metal-ceramic composites: Part 1 Processing.</a> International Materials Reviews. 40 (6), 239-265 (1995).</li><li>Moya, J. S., S&#225;nchez-Herencia, A. 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J., Moritz, T., Michaelis, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functionally+Graded+Materials+Made+by+Water-Based+Multilayer+Technology.">Functionally Graded Materials Made by Water-Based Multilayer Technology.</a> Refractories Worldforum. 8 (2), 95-101 (2016).</li><li>Mannschatz, A., H&#228;rtel, A., M&#252;ller-K&#246;hn, A., Moritz, T., Michaelis, A., Wilde, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Manufacturing+of+Two-colored+Co-sintered+Zirconia+Components+by+Inmold-labelling+and+2C-Injection+Molding,+cfi/Ber.">Manufacturing of Two-colored Co-sintered Zirconia Components by Inmold-labelling and 2C-Injection Molding, cfi/Ber.</a> DKG. 91 (8), (2014).</li><li>Moritz, T., Scheithauer, U., Mannschatz, A., Ahlhelm, M., Abel, J., Schwarzer, E., Pohl, M., M&#252;ller-K&#246;hn, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Material-+and+process+hybridization+for+multifunctional+ceramic+and+glass+components.">Material- and process hybridization for multifunctional ceramic and glass components.</a> Ceramic Applications. 5 (2), 66-71 (2017).</li><li>Homa, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+Prototyping+of+high-performance+ceramics+opens+new+opportunities+for+the+CIM+industry.">Rapid Prototyping of high-performance ceramics opens new opportunities for the CIM industry.</a> Powder Injection Moulding International. 6 (3), 65-68 (2012).</li><li>Chartier, T., Badev, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+Prototyping+of+Ceramics.">Rapid Prototyping of Ceramics.</a> Handbook of Advanced Ceramics Elsevier. , (2013).</li><li>Travitzky, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Additive+Manufacturing+of+ceramic-based+materials.">Additive Manufacturing of ceramic-based materials.</a> Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).</li><li>Zocca, A., Colombo, P., Gomes, C. 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J., Moritz, T., Michaelis, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Processing+of+thermoplastic+suspensions+for+Additive+Manufacturing+of+Ceramic-+and+Metal-Ceramic-Composites+by+Thermoplastic+3D-Printing+(T3DP),+11th+International+Conference+on+Ceramic+Materials+and+Components+for+Energy+and+Environmental+Applications.">Processing of thermoplastic suspensions for Additive Manufacturing of Ceramic- and Metal-Ceramic-Composites by Thermoplastic 3D-Printing (T3DP), 11th International Conference on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications.</a> Ceramic Transactions. 256, (2016).</li><li>Scheithauer, U., Weingarten, S., Johne, R., Schwarzer, E., Abel, J., Richter, H., Moritz, T., Michaelis, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ceramic-Based+4D-Components:+Additive+Manufacturing+(AM)+of+Ceramic-Based+Functionally+Graded+Materials+(FGM)+by+Thermoplastic+3D-Printing+(T3DP).">Ceramic-Based 4D-Components: Additive Manufacturing (AM) of Ceramic-Based Functionally Graded Materials (FGM) by Thermoplastic 3D-Printing (T3DP).</a> Preprints. , 2017100057 (2017).</li><li>Lee, H. 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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

La caractérisation du comportement rhéologique de la suspension fondu à des vitesses de cisaillement élevées jusqu'à 5000/s est nécessaire depuis l’évaluation des conditions dans le micro utilisé distribution systems (géométrie de la chambre de piston et de la buse, la vitesse du piston) a révélé que des vitesses de cisaillement de 5000/s et plus sont générés dans le micro, système de distribution pendant le processus de dépôt25.
L’enquête des paramètres d’impression doit être fait pour aider à l’étalonnage du doseur pour la fabrication de composants multi-matériaux. L’influence des paramètres du distributeur sur les propriétés des matériaux a été examinée par25. Limites de valeur de paramètre n’ont été dissuasif empiriquement. Jusqu'à présent, l’expérience montre que l’écart en gouttelettes chaîne height et width ne doit pas dépasser 3 %. Différences de diamètre jusqu'à 100 microns et différences de hauteur jusqu'à 50 microns peuvent être compensées par la largeur d’impulsion de paramètres, le facteur de fusion de gouttelettes (DFF) et la largeur d’extrusion (tranchage paramètre).
Il est essentiel pour le processus d’impression que les hauteurs de la couche des matériaux différents sont ajustés les uns aux autres en modifiant la distance entre les gouttelettes unique, car elle se traduirait par un dénivellement au sein d’une couche si les hauteurs des différents matériaux ne pas de match. Un dénivellement mène à grands défauts et les composants défectueux. En réduisant la distance entre deux gouttelettes et le chevauchement associé à une plus grande, la largeur et la hauteur de la chaîne de la goutte augmente en raison du volume quasi constant des gouttelettes unique. On observe que la largeur de chaîne goutte augmente plus rapidement que la hauteur de chaîne de gouttelettes. Il n’est pas nécessaire et sans doute pas possible de réaliser des hémisphères parfaitement en forme sous forme de gouttelettes unique, mais vous devez s’assurer en déterminant le raccord de distribution des paramètres que l’homogénéité de la formation de gouttelettes est très élevée pour garantir un homogène la construction des composants.
La mesure à 85 ° C simule le comportement rhéologique des suspensions dans la cartouche d’alimentation du système micro distribution. Supérieure à 90 ° C, la décomposition des éléments liant commence (Figure 7). Toutes les suspensions montrent un comportement presque similaire. La température de gicleur utilisé de la microchaîne distribution était de 100 ° C. Cette température favorise la formation de gouttelettes en raison de la faible viscosité causée par l’augmentation de la température des suspensions en passant de la buse. En raison de la courte temporisation des suspensions dans la bouche à cette température la décomposition n’est ne pas influencer le comportement sensiblement.
Les composants multicolores pourraient être frittés presque sans défaut, mais pour les poudres de zircone noire - 2 et la zircone blanche - 2 la couleur de la phase blanche est devenue rose. La cause du changement de couleur sont des processus de diffusion entre les différentes matières au cours de frittage. C’est seulement un effet à la surface et peut être enlevé par une étape de broyage. Mais c’est très difficile pour les structures complexes de technologies AM.
Dans les composants de couleurs multi interfaces planes et entrelacées limite instaurées entre les deux compositions différentes. Ainsi, indépendamment de la déposition de goutte-limite du matériau, l’arrangement des microstructures différentes peut être réalisée très précisément. En outre, la forme de gouttelettes peut être exploitée pour améliorer l’interface de la frontière entre les deux matériaux. Jusqu'à présent, seulement discrets transitions matérielles ont été produites. Les recherches futures peuvent aussi entraîner la production de changements graduels entre matériaux.

Fonctionnellement matériaux classés (MGF) sont des matériaux avec une variété de propriétés concernant les transitions dans la microstructure ou dans le matériau1. Ces transitions peuvent être discrètes ou continues. Différents types de mutilations génitales féminines sont connus, tels que les composants avec matériels dégradés, porosité classée ainsi que les composants multicolores.
MGF-composants peuvent être fabriquées par simple classiques façonnage technologies2,3,4,5,6,7 , ou par une combinaison de ces technologies, pour exemple, par marquage de surmoulée comme une combinaison de coulée de ruban et8,9de moulage par injection.
Fabrication additive (AM) permet la production de composants avec une liberté jusqu’ici sans précédent de la conception. Ceci est considéré comme l’état de la technique façonnage technologie des polymères et des métaux. Première des processus commerciaux pour le traitement de la céramique sont disponibles10, et presque toutes les technologies connues de AM servent à AM de la céramique dans les laboratoires partout dans le monde11,12,13.
Pour allier les avantages d’AM avec les avantages des mutilations génitales féminines à base de céramique de composants 4D (trois dimensions pour la géométrie et un degré de liberté concernant les propriétés du matériau dans chaque position) l’impression 3D thermoplastique (CerAM - T3DP) a été développée à Fraunhofer IKTS à Dresde, en Allemagne, comme une technologie AM directe. Cela permet à l’AM de composants multimatériaux14,15,16,17. CerAM - T3DP repose sur le dépôt sélectif de gouttelettes unique de particules remplis suspensions thermoplastique. En utilisant plusieurs systèmes de dosage, différentes suspensions thermoplastiques peuvent être déposées à côté de l’autre couche par couche pour produire en masse matérielle aussi bien que des gradients de propriété dans les pièces vert additivement produites18. Contrairement aux procédés indirects de AM, où déjà des matériaux déposés solidifient sélectivement sur le calque entier, le CerAM - T3DP processus ne nécessite pas l’effort supplémentaire d’enlèvement de copeaux non solidifié avant la déposition du matériel suivant, rend plus appropriée pour l’AM de composants multi-matériaux.
Bien qu’utilisant le CerAM - T3DP processus permet l’AM des mutilations génitales féminines et la réalisation de composants à base de céramique avec des propriétés sans précédent, il y a des défis à relever concernant le traitement thermique nécessaire après le processus de l’AM, afin d’obtenir une composites multi-matériaux. En particulier, les poudres appariés dans le matériau composite doivent être fritté avec succès conjointement, pour lequel le frittage des composants doit être exécuté à la même température et l’atmosphère. Par conséquent, il est une condition sine qua non pour tous les matériaux d’avoir une température de frittage comparable et comportement (température de frittage, comportement de retrait de départ). Afin d’éviter les contraintes mécaniques critiques lors du refroidissement, le coefficient de dilatation thermique des matériaux doit être approximativement égale à11.
La combinaison des matériaux avec des propriétés différentes dans un seul composant ouvre la porte aux composants avec des propriétés sans précédent pour des applications multiples. Composites en acier inoxydable-zirconium par exemple peuvent être utilisés comme outils de coupe, composants résistants à l’usure, l’énergie et des composants de pile à combustible ou des outils chirurgicaux bipolaire19,20,21,22, 23,24. Ces composants pourraient être réalisés par CerAM - T3DP14,15,16,17, aussi, après le réglage du comportement frittage par un processus de fraisage spécial16.
Base de céramique des mutilations génitales féminines avec une porosité classée comme zircone dense et poreuse se combinent très bonnes propriétés mécaniques dans les zones denses avec une grande surface active des zones poreuses. Tels que les composants peuvent être additivement fabriquées par CerAM - T3DP18.
Dans cet article, nous étudions l’AM des composants de la zircone avec deux couleurs différentes dans un seul composant de CerAM - T3DP. Nous avons choisi la zircone blanche et noire parce que cette combinaison en un seul composant céramique est intéressante pour des applications de bijoux. La demande de produits de luxe individualisé est très élevée et toujours croissante. Technologies qui permettent à l’AM de composants multimatériaux à base de céramique avec une haute résolution et de très bonnes propriétés de surface permettra de répondre à cette demande. Céramiques comme zircone servent par exemple à regarder produits composants comme les boîtes de montres et de cadrans ou des anneaux à cause de l’haptique spéciale, coup d’oeil, de dureté et de poids inférieur par rapport aux métaux.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr >
			<td >Material</td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Zirconia black - 1</td>
			<td >TZ-3Y-Black</td>
			<td >Tosoh</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Zirconia black - 2</td>
			<td >ZirPro ColorYZ Black</td>
			<td >Saint Gobain</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Zirconia white - 1</td>
			<td >TZ-3Y-Black</td>
			<td >Tosoh</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Zirconia white - 2</td>
			<td >ZirPro ColorYZ Arctic White</td>
			<td >Saint Gobain</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Equipment</td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >laser diffractometer</td>
			<td>Mastersizer 2000</td>
			<td>Malvern Instruments Ltd., United Kingdom</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >dissolver</td>
			<td>DISPERMAT CA 20-C</td>
			<td>VMA-Getzmann GmbH, Germany</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >rheometer</td>
			<td>Modular Compact Rheometer MCR 302&#160;</td>
			<td>Anton Paar, Graz, Austria</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >micro dispensing system</td>
			<td>MDS 3250</td>
			<td>Vermes, Germany&#160;&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >T3DP-device&#160;</td>
			<td>IKTS-T3DP-device &#34;TRUDE&#34;, in-house development</td>
			<td>Fraunhofer IKTS, not commerzialized</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >profile scanner</td>
			<td>LJ-V7020</td>
			<td>Keyence&#160;&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Slicer 1</td>
			<td>Slic3r</td>
			<td>open source software</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Slicer 2</td>
			<td>Simplify3D</td>
			<td>Simplofy3D</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >debinding furnace</td>
			<td>NA120/45</td>
			<td>Nabertherm, Germany</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >sintering furnace</td>
			<td>LH 15/12</td>
			<td>Nabertherm, Germany&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >FESEM</td>
			<td>Gemini 982&#160;</td>
			<td>Zeiss, Germany&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

multi-material ceramic-based components &#8211; additive manufacturing of black-and-white zirconia components by thermoplastic 3d-printing (ceram - t3dp)

Pour combiner les avantages de fabrication Additive (AM) avec les avantages du point de vue fonctionnel classé matériaux (FGM) à base de céramique de composants 4D (trois dimensions pour la géométrie et un degré de liberté concernant les propriétés du matériau dans chaque position) la Impression 3D thermoplastique (CerAM - T3DP) a été développée. C’est une technologie AM direct qui permet à l’AM de composants multi-matériaux. Pour démontrer les avantages de ce composants de zircone en noir et blanc de technologie additivement fabriquées et co frittés sans défaut.
Deux paires différentes de poudres de zirconium noir et blanc ont servi à préparer les différentes suspensions de thermoplastiques. Paramètres de dosage appropriés ont été étudiés pour la fabrication de composants de test unique-matériel et ajustés pour la fabrication additive des composants multi-color zircone.

Pour la production de composantes mesurées, seulement les poudres du même fabricant ont été combinées pour chaque composant multi-matériaux. Expériences avec des poudres de fabricants différents dans un seul composant sont toujours en cours. À cet effet, les taux de rétrécissement différentes sont à considérer.
Le résultat de la mesure du diamètre moyen de particules (d50) de la zircone blanche - 1 , après dispersion était de 0,37 µm. Le fabricant indique une taille de particule réelle de 0,04 µm (un ordre de grandeur moins). La taille moyenne des particules (d50), de la zircone noire - 1 est de 0,5 µm. Figure 2 (A) montre l’analyse FESEM de la zircone blanche - 1 et Figure 2 (B) une image FESEM de la surface d’un granulat en détail. Figure 2 (C) et la Figure 2 (D) montrent la même chose pour la zircone noire - 1. Les deux poudres non traitées sont constitués de gros granules sphériques (diamètre jusqu'à 100 µm) qui est typique pour les matières premières de pressage sec. Les FESEM-images de la surface du granulat montrent les particules primaires de la zircone blanche - 1 (Figure 2 B) et la zircone noire - 1 (Figure 2 (D)) avec une taille de particule réelle de presque 0,04 µ m.
La Figure 2 (E) - 2 (H) montrent les images FESEM de la zircone blanche - 2 et la zircone noire - 2. La taille moyenne des particules mesurées (d50) de la zircone poudres zircone blanche - 2 et la zircone noire - 2 µm 0,27 et 0,25 µm, respectivement, dans lequel les particules sont présents sous forme de granules sphériques d’un diamètre atteignant 100 µm (Figure 2 (E) et la Figure 2 (G)). La taille des particules primaires poudres blanches est inférieur à 0,1 µm (Figure 2 (F)). Les particules primaires de poudres noires sont jusqu'à 0,5 µm de diamètre (Figure 2 (H)).
Figure 3 (A) indique la viscosité dynamique des suspensions basé sur zircone blanche - 1 et zirconia noir - 1 en fonction de la vitesse de cisaillement et dans la dépendance de la température (85 ° C et 100 ° C). Les deux suspensions montrent un cisaillement amincissement comportement indépendamment de la température.
Le tableau 1 résume les viscosités mesurées des suspensions à des vitesses de cisaillement différents et à des températures différentes.
Figure 3 (B) montre le comportement rhéologique des suspensions basé sur zircone blanche - 2 et la zircone noire - 2 (85 ° C et 100 ° C). Tous les graphiques montrent un cisaillement amincissement de comportement. Le tableau 2 résume les viscosités mesurées des suspensions à des vitesses de cisaillement différents et à des températures différentes.
En plus des mesures contrôlées par taux de cisaillement, les mesures à long terme ont été effectuées. Figure 3 (C) montre le cours de la viscosité dynamique au cours des mesures à long terme pour toutes les suspensions de quatre à un taux de cisaillement constante de 10/s sur une période de 2 h. Tandis que la viscosité dynamique des suspensions zircone blanche (zircone blanche - 1 et la zircone blanche - 2) est presque constante (tableau 3), la viscosité dynamique tend à diminuer légèrement de la zircone noire (zircone noire - 1 et la zircone noire - 2).
Après la détermination empirique des paramètres du dosage la fabrication du composant unique, de structures tridimensionnelles est devenu gérables pour chaque suspension. Figure 4 (A) montre une structure complexe fritté test basée sur la suspension de zircone blanche - 1 et additivement fabriqués par CerAM - T3DP. Le même test structure additivement fabriqué par CerAM - T3DP et la zircone noire - 1-suspension est illustré à la Figure 4 (B).
Figure 4 (C) montre une structure de test fritté basée sur les suspensions de zircone de la zircone blanche - 2, Figure 4 (D) une structure d’essai fritté basée sur zircone noire - 2. À la suite de la fabrication des composants monochrome la fabrication de composants multicolores a eu lieu. La Figure 4 (D) à 4 (F) montrent certains fritté fabrication additive de zircone multicolore composants utilisant le CerAM - T3DP.
Figure 5 (A) et (B) de la Figure 5 montrent FESEM-images de la microstructure des composants multicolores avec une interface distingue nettement entre les deux suspensions issu de la zircone poudres blanc zircon - 1 (en haut) et zircone noire - 1 (en bas).
Une analyse de spectroscopique des rayons x dispersive en énergie (EDX) a montré que dans la microstructure de la fritte zircone noire - 1 plus de croûte alumine produit (Figures 6 (A-C)). Pour évaluer la composition de l’et la zircone noire - 1-microstructure surtout dans les zones sombres en plus détail autres EDX investigations a eu lieu (Figures 6 D-G) qui a montré la précipitation de l’alumine (Figure 6 (E) ).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57538/57538fig1.jpg"> Figure 1 : dessin-CAO de CerAM usagés - T3DP-dispositif avec trois unités de distribution micro et un scanner surface. <a href="/files/ftp_upload/57538/57538fig1large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57538/57538fig2.jpg"> Figure 2 : FESEM-image de zircone utilisée des granulés. (A) granulés de zircone blanche - 1 - vue d’ensemble et surface de (B) ; (C) granulats de zircone noire - 1 - vue d’ensemble et surface (D) ; (E) granulats de zircone blanche - 2 - vue d’ensemble et surface (F) ; (G) zirconia noir - 2 granulats - vue d’ensemble et de surface (H) .
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57538/57538fig3.jpg"> Figure 3 : comportement rhéologique des suspensions de thermoplastiques. (A) issu de la zircone poudres zircone blanche - 1 et la zircone noire - 1; (B) issu de la zircone poudres zircone blanche - 2 et la zircone noire - 2; (C) comparaison de tous les quatre suspensions pendant une mesure à long terme à une température constante de cisaillement de 10/s.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57538/57538fig4.jpg"> Figure 4 : fritté single - et multi - anti-Material tester structures additivement fabriqués par T3DP. (A) issu de la zircone blanche - 1 -suspension ; (B) issu de la zircone noire - 1 -suspension ; (C) issu de la zircone blanche - 2 -suspension ; (D) issu de la zircone noire - 2 -suspension ; (E) issu de la zircone blanche - 1 - et la zircone noire - 1 -suspension ; (F) basée sur zircone blanche - 2- et zirconia noir - 2 - suspension - structure en forme de châssis et structure en anneau (G) .
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57538/57538fig5.jpg"> Figure 5 : images-FESEM. FESEM-images de coupe transversale à interface entre fritté zircone blanche - 1 (en haut) et la zircone noire - 1 (bas) ; Interface planaire (A) et (B) entrelacées
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57538/57538fig6.jpg"> Figure 6 : Résultats des mesures de EDX à fritté zircone blanche - 1 / zircone noire - 1 -interface. (A) vue d’ensemble sur les champs de mesure 1 + 2 et (D) 3-5 ; résultats de la mesure (B) terrain 1, champ (C) 2, (E) 3, champ (F) 4 et (G) champ 5.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57538/57538fig7.jpg"> Figure 7 : changement de masse de la zircone blanche - 1 - et la zircone noire - 1 -suspensions lors de la décomposition thermique <a href="/files/ftp_upload/57538/57538fig7large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/57538/57538table1.jpg"> Tableau 1 : viscosité dynamique de suspensions thermoplastiques issu de la zircone poudres zircone blanche - 1 et la zircone noir - 1. <a href="/files/ftp_upload/57538/Table_01.pdf">S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.</a>
<img alt="Table 2" src="/files/ftp_upload/57538/57538table2.jpg"> Tableau 2 : viscosité dynamique de suspensions thermoplastiques issu de la zircone poudres zircone blanche - 2 et la zircone noir - 2. <a href="/files/ftp_upload/57538/Table_02.pdf">S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.</a>
<img alt="Table 3" src="/files/ftp_upload/57538/57538table3.jpg"> Tableau 3 : viscosité dynamique de tous les quatre suspensions pendant la mesure à long terme à un taux de cisaillement constante de 10/s. <a href="/files/ftp_upload/57538/Table_03.pdf">S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.</a>

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Multi-material Ceramic-Based Components ÃƒÆ’Ã‚Â¢ÃƒÂ¢Ã¢â‚¬Å¡Ã‚Â¬ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã…â€œ Additive Manufacturing of Black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing CerAM - T3DP

Composants de base de céramique multi-matériaux – additif de fabrication des composants de la zircone en noir et blanc par impression 3D thermoplastique (CerAM - T3DP)

Nous décrivons ici un protocole pour additivement fabrique des composants de la zircone en noir et blanc par impression 3D thermoplastique (CerAM - T3DP) et co frittage sans défaut.

To combine the benefits of Additive Manufacturing (AM) with the benefits of Functionally Graded Materials (FGM) to ceramic-based 4D components (three ...

Cette méthode peut aider à ouvrir la porte pour les composants en céramique à des applications multiples telles que les réacteurs en céramique, outils de chirurgie, ou des produits de luxe personnalisés. Le principal avantage de cette technique est que la position de certains matériaux se produit sélectivement. Et la certification de certains matériaux se produit indépendamment de certaines propriétés matérielles.Nous avons d’abord eu l’idée de cette méthode lorsque nous avons pensé à l’adaptation de nos connaissances dans le domaine des approches multi-matériaux à la fabrication additive. Pour faire la suspension thermoplastique, sélectionnez d’abord les poudres. La fabrication additive d’objets noirs et blancs nécessite deux poudres.Dans ce cas, les choix sont zirconia noir-1 et zirconia blanc-1. Qui ont des températures de centrage comparables. Obtenir des images de microscope électronique à balayage des émissions sur le terrain des deux poudres pour en caractériser certaines en ce qui concerne la forme des particules et la surface.Ici, le diamètre moyen des particules blanches zirconia est d’environ 4/10 d’un micromètre. Mesurées à l’aide d’un diffractomètre laser, les particules noires zirconia ont un diamètre moyen de 1/2 micromètre. Passez à la préparation des suspensions dans un dissolvant chauffant.Préparer chaque suspension séparément avec le dissolvant à 100 degrés Celsius en faisant fondre un mélange de paraffine et de cire d’abeille. Avant de continuer à vérifier le navire pour s’assurer que la fonte est terminée. Une fois la fonte terminée, homogénéiser le mélange de polymères.Ensuite, réduisez la vitesse du disque resolver. Puis, sur plusieurs étapes, ajouter lentement l’une des poudres de zirconia, de sorte qu’il devient 40% du mélange en volume. Après avoir fait fondre la paraffine, la cire d’abeille et d’autres composants chimiques, homogénéisez le mélange de polymères.Ensuite, réduisez la vitesse du disque de dissolution. Puis, sur plusieurs étapes, ajouter lentement l’une des poudres de zirconia, de sorte qu’il devient 40% du mélange en volume. Arrêtez lorsque la teneur en poudre est de 40% en volume.La valeur cible des suspensions noires et blanches. Ensuite, remuer le mélange de polymère en poudre pendant deux heures à 100 degrés Celsius. Après remuer, assurez-vous que le mélange est homogénéisé avant la précédente.Au fur et à mesure qu’ils créent, caractérisez chaque suspension en fusion à l’aide d’un rhéomètre. Tracez la viscosité dynamique en fonction du taux de cisaillement pour différentes températures. Ces données sont pour zirconia noir-1, et zirconia blanc-1 à deux températures différentes.Pour une suspension et une température données, assurez-vous que la viscosité dynamique est inférieure à 100 secondes pascal pour un taux de cisaillement de 10 par seconde. Moins de 20 secondes pascal pour un taux de cisaillement de 100 par seconde. Et en dessous d’une seconde pascal pour un taux de cisaillement de 5000 par seconde.Si nécessaire, modifiez la viscosité dynamique en augmentant la température ou en ajoutant le mélange de polymères. Commencez à travailler avec un dispositif d’impression 3D thermoplastique. Ce dessin représente les dispositifs trois systèmes de micro distribution.Qui peut fonctionner simultanément ou individuellement. Également représenté est le scanner de profil utilisé pour aider à caractériser la sortie printhead. Il s’agit de la tête d’impression 3D thermoplastique tel qu’il apparaît dans le système d’impression.Sélectionnez deux des distributeurs à utiliser. Pour la fabrication additive noir et blanc, ajouter la suspension noire à un distributeur, et la suspension blanche à l’autre. Une fois prêt, expérimentez en variant la fréquence de dépôt, les vitesses de l’axe et d’autres paramètres pour les gouttelettes simples et les chaînes de gouttelettes.Utilisez le scanner de profil, qui utilise un laser bleu pour recueillir des données pour caractériser la sortie. Identifier les paramètres de distribution afin que les gouttelettes des deux matériaux aient les mêmes caractéristiques. Ajustez la distance entre les gouttelettes simples pour éviter les différences de hauteur pour différents matériaux.Voici des exemples de chaînes de gouttelettes et de gouttelettes simples, produites avec des paramètres différents et utilisant des suspensions noires et blanches. Examiner la sortie d’une gamme de paramètres pour la forme, le volume et l’homogénéité. Après avoir déterminé les paramètres d’impression, décidez de la partie désirée.Utilisez un modèle 3D généré de la pièce, et enregistrez le fichier modèles dans un format de fabrication additif. Dans le logiciel Slicer, assigner les deux matériaux aux différentes zones de composants en allouant le système de micro distribution correspondant. Générer et télécharger les codes G sur l’imprimante.Assurez-vous que les paramètres sont définis et commencez le travail. L’impression de cette pièce prendra environ une heure à huit millimètres par seconde. Récupérez l’échantillon lorsque le processus de construction est terminé.À ce stade, l’échantillon est prêt à être débiné. Prenez l’échantillon pour le préparer à la déroyabine. Placez l’échantillon dans un écran grossier au lit en poudre d’alumine pour le soutien et la distribution de la température.Ensuite, mettez le lit en poudre avec l’échantillon dans un four à atmosphère d’air. Et définissez le programme de chauffage et de refroidissement pour assurer une liaison sans défaut. Récupérez l’échantillon lorsqu’il est à température ambiante.Et continuer avec les prochaines étapes. Retirer l’échantillon de la poudre de litière. Ensuite, retirez soigneusement toute poudre de literie à l’aide d’une brosse fine.Pour une seconde débinage, déposer l’échantillon sur des meubles en four à alumine. Retournez au four à atmosphère d’air et utilisez un taux de chauffage plus rapide et le même taux de refroidissement pour l’échantillon. Après refroidissement, prendre l’échantillon dans un four centré sur l’atmosphère de l’air.Centrez l’échantillon à 1350 degrés Celsius, pendant deux heures. Il s’agit de la pièce fabriquée à la fin des étapes de débinage et de centrage, avec son modèle 3D. Utilisez un scanner 3D pour caractériser le rétrécissement des composants, qui devrait être d’environ 20% dans chaque direction.Effectuez d’autres caractérisations sur des échantillons imprimés coupés et polis. Cette image de microscopie électronique de balayage d’émissions de champ est de la section transversale à l’interface de planeur entre zirconia blanc-1 centré et zirconia noir-1. Obtenez plus d’information avec l’analyse spectroscopique dispersive d’énergie des deux régions.Lors de la recherche de pics associés à l’alumine, les résultats indiquent que plus de croix d’alumine se produit dans zirconia noir-1. Ces points de mesure se trouvent dans la région noire de zirconia. Leur composition est révélée par une spectroscopie aux rayons X dispersive d’énergie.Les spectres de cette analyse plus détaillée, montre la microstructure noire zirconia a l’alumine précipitée. Une fois maîtrisée, cette technique peut changer la façon de concevoir et d’utiliser des composants céramiques. Tout en utilisant cette technologie, vous devez vous rappeler que ce n’est qu’une technologie de mise en forme.Et les corps verts doivent être débinés et centrés pour atteindre les propriétés céramiques finales. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de combiner, matériaux céramiques par la fabrication additive.

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