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

Questo progetto ha ricevuto finanziamenti da parte dell'Unione europea Horizon 2020 ricerca e innovazione programma sotto Grant accordo No 678503.

1. termoplastico sospensione per CerAM - T3DP
<ol><li>Selezione delle polveri<ol>
<li>Per la preparazione delle sospensioni termoplastiche nere utilizzare polveri di zirconi neri zirconi neri - 1 e zircone nero - 2.
</li>
		<li>Per la preparazione delle sospensioni termoplastiche bianche utilizzare zirconia bianca - 1 e zirconia bianca - 2. Nota: Il produttore di zircone nero - 2 utilizza pigmenti (4,2 wt.-%) per la colorazione dell'ossido di zirconio e afferma anche che entrambi polveri hanno lo stesso comportamento di sinterizzazione. Inoltre, l'alta percentuale di allumina (20,43 wt.-%) contribuisce al colore bianco del zirconia bianca - 2. Le polveri di ossido di zirconio nero - 1 e zirconia bianca - 1 hanno una diversa composizione e così richiedono una diversa temperatura di sinterizzazione per densificazione completa. A differenza di zirconia bianca - 1, zircone nero - 1 consiste al massimo 5 pigmenti di wt.-%. Le temperature di sinterizzazione consigliate sono 1400 ° C per zirconia nera - 1 e 1350 ° C per zirconia bianca - 1.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Caratterizzano le polveri per quanto riguarda la forma, superficie e distribuzione granulometrica. Nota: La scansione immagini di microscopia elettronica sono stati utilizzati per caratterizzare la forma delle particelle. La distribuzione granulometrica delle polveri utilizzate è stata misurata da un metodo a diffrazione laser (laser diffrattometro). Le misurazioni per le specifiche proprietà di superficie delle polveri usate sono state fornite dal produttore.</li>
	<li>Per la preparazione delle sospensioni differenti zirconia sciogliere una miscela di paraffina e cera d'api ad una temperatura di 100 ° C in un riscaldabile dissolutore e omogeneizzare la miscela di polimero.<ol>
<li>Poi aggiungere la polvere in diversi passaggi per raggiungere un contenuto di polvere di 40 vol.%.</li>
		<li>Omogeneizzare la miscela di polveri polimeriche mediante agitazione per 2 ore a 100 ° C. Garantire che tutte le sospensioni hanno lo stesso contenuto di polvere (40 vol.%).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Caratterizzazione delle sospensioni<ol>
<li>Caratterizzare il comportamento reologico della sospensione fuso utilizzando un reometro per tassi di taglio in un range tra 0-5.000/s per diverse temperature in un range tra 85 ° C e 110 ° C. Nota: Abbiamo usato un reometro regolabile tra-25 ° C a 200 ° C con una piastra (diametro 25 mm) sistema di misura. La coppia è stata misurata, e la viscosità dinamica è stata calcolata.</li>
		<li>Tracciare la viscosità dinamica in funzione della velocità di taglio e assicurarsi che la viscosità dinamica è inferiore a 100 PA · s per una velocità di taglio di 10/s, di sotto 20 PA · s per una velocità di taglio di 100/s e 1 PA · s per una velocità di taglio di 5.000/s o aumento della temperatura all'interno della gamma ammissibile.</li>
		<li>Modificare la composizione di sospensione aggiungendo miscela polimero se la viscosità dinamica è troppo alta anche per una temperatura di 110 ° C.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. fabbricazione di componenti singole e multi-materiali di CerAM - T3DP
<ol><li>Dispositivo utilizzato La figura 1 Mostra un disegno CAD del CerAM usate - T3DP-dispositivo con un profilo scanner e tre diversi micro sistemi di erogazione, che possono lavorare simultaneamente o alternativamente. Usare due di loro per produrre componenti in bianco e nero.<ol>
<li>Impostare la deposizione delle gocce su una frequenza fino a 100/s e gli assi di muoversi con una velocità massima di 20 mm/s.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Indagine dei parametri di deposizione Studiare l'influenza dei parametri di deposizione (velocità del micro sistema erogazione; temperature di sospensione serbatoio ed ugello; velocità dell'asse di lavoro) sulle proprietà delle goccioline risultante (forma; volume; omogeneità) o gocciolina catene (forma; volume; omogeneità).<ol>
<li>Variare i parametri di deposizione e depositare singole goccioline così come catene di goccia utilizzando diverse frequenze e velocità assi per la deposizione. Nota: L'influenza dei parametri erogatore sulle proprietà dei materiali è stata discussa prima di25. I limiti di valore di parametro sono stati determinati solo empiricamente.</li>
		<li>Assicurarsi che che la varianza nella gocciolina catena altezza e la larghezza non deve superare il 3%. Variare la larghezza di impulso di parametri, fattore di fusione di goccia (DFF) e larghezza di estrusione (parametro per affettare) per compensare il diametro differenze fino a 100 micron e differenze di altezza fino a 50 micron. Nota: Non è necessario e probabilmente non è possibile realizzare gli emisferi perfettamente sagomati come singole goccioline, ma è necessario assicurarsi che l'omogeneità della formazione della gocciolina è molto elevato per garantire un edificio omogeneo dei componenti.</li>
		<li>Ripetere questo passaggio con diversi parametri iniziali per trovare un set di parametri che fornisce la forma goccia più omogenea rispetto al diametro delle gocce, larghezza e altezza.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Produzione di componenti di test solo materiale<ol>
<li>Utilizzare un modello 3D generato della parte desiderata e salvare il file come formato di file STL o AMF.</li>
		<li>Utilizzare un programma per affettare (ad es. affettatrice 1 o 2 affettatrice) per generare il G-codice corrispondente. Impostare le proprietà della forma goccia acquisito nel passaggio 2.2.</li>
		<li>Caricare il G-code e riempire i parametri di processo per la CerAM - T3DP-dispositivo. Impostare la CerAM - T3DP-dispositivo per i parametri ottenuti nel passaggio 2.2 che corrispondeva alla forma goccia fornita per l'affettatrice. Avviare il software del dispositivo per avviare il processo di costruzione. Nota: È utile per la fabbricazione di determinati campioni di prova prima di compilare la parte desiderata o utilizzando nuove sospensioni.</li>
	</ol>
</li>
	<li>CerAM - T3DP di componenti multi-materiali<ol>
<li>Per ogni materiale coinvolto eseguire passo 2.2.</li>
		<li>Selezionare parametri di dosaggio per entrambi i materiali che hanno circa le stesse caratteristiche della gocciolina.</li>
		<li>Regolare le altezze di strato modificando la distanza tra le singole gocce e la conseguente sovrapposizione per evitare differenze nelle altezze per i diversi materiali, che possono provocare grandi difetti e componenti difettosi. Nota: Riducendo la distanza tra due goccioline e la sovrapposizione maggiore associata, la larghezza e l'altezza della catena gocciolina aumenta a causa del volume quasi costante delle singole gocce. Si può osservare che la larghezza della catena della gocciolina aumenta più velocemente rispetto all'altezza di catena della gocciolina.</li>
		<li>Utilizzare un modello 3D generato della parte desiderata e salvare il file come file AMF. Se supportato dall'affettatrice multiple aree di componenti possono anche essere salvati in formato file STL.</li>
		<li>Per poter stampare componenti multi-materiali, assegnare aree di componente corrispondente al materiale associato nel software per affettare allocando un corrispondente micro sistema di erogazione per ogni materiale.</li>
		<li>Generare i G-codici per ogni materiale utilizzando il software di filtro dei dati.</li>
		<li>Caricare il G-code e riempire i parametri di processo per la CerAM - T3DP-dispositivo. Impostare la CerAM - T3DP-dispositivo per i parametri ottenuti nel passaggio 2.2 che corrispondeva alla forma goccia fornita per l'affettatrice. Avviare il software del dispositivo per avviare il processo di costruzione.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Co-deceraggio e co-sinterizzazione di singolo - e multimateriali componenti
<ol><li>Cielo verdi campioni nei seguenti passaggi separati.<ol>
<li>In primo luogo, mettere i campioni in una massa allentata di polvere di allumina a grana grossa (letto polvere) per sostenere strutturalmente i campioni così da garantire una distribuzione omogenea della temperatura e per promuovere la rimozione dei materiali raccoglitore da forze capillari.</li>
		<li>Eseguire un deceraggio con un tasso molto basso di riscaldamento in un forno (forno di deceraggio) sotto atmosfera di aria fino a 270 ° C. Impostare la velocità di riscaldamento a 4 K/h per garantire un deceraggio privo di difetti.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Dopo questo primo passo deceraggio rimuovere con cautela la polvere di biancheria da letto per esempio con un pennello sottile. Posizionare i campioni su allumina forno mobili.</li>
	<li>Applicare un secondo passaggio di deceraggio sotto aria-atmosfera fino a 900 ° C (12 K/h) nel forno stesso. Nota: Tutti i materiali restanti di legante organico termicamente sono stati rimossi, mentre all'interno nella stessa fase un pre-sinterizzazione delle particelle di ossido di zirconio è stata iniziata per consentire il successivo trasferimento dei campioni in un forno di sinterizzazione.</li>
	<li>Infine sinterizzare i campioni sotto aria-atmosfera a 1.350 ° C (180 K/h) per 2 h in un forno adatto (forno di sinterizzazione). Caratterizzano il restringimento dei componenti di misura di lunghezza in tre dimensioni e assicurarsi che è circa il 20% per ogni direzione.</li>
</ol>4. caratterizzazione dei componenti - e multimateriali
<ol><li>Tagliare i campioni correttamente e lucidare la superficie utilizzando metodi di ceramographic.</li>
	<li>Applicare le indagini sulla microstruttura mediante microscopio elettronico a scansione emissione di campo (FESEM).</li>
	<li>Ispezionare visivamente la porosità delle due fasi e nell'interfaccia di contorno dei materiali utilizzati. Per ottenere un risultato più dettagliato eseguire un'analisi di interfaccia, ad esempio tramite FESEM e analisi successive foto per indagare la porosità all'interno della microstruttura sinterizzata. La porosità mirata è inferiore all'1%. Se la porosità è troppo alta, variare il parametro di deposizione in aumento (2,2) e/o il regime del trattamento termico (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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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

La caratterizzazione del comportamento reologico della sospensione fuso a taglio alta velocità fino a 5000/s è necessaria perché la valutazione delle condizioni all'interno di micro usato LAWER (geometria dell'alloggiamento del pistone e l'ugello, velocità del pistone) ha rivelato che i tassi di taglio di 5000/s e superiori vengono generati nel micro sistema di erogazione durante il processo di deposizione25.
L'indagine dei parametri stampa dovrebbe essere fatto per aiutare con la calibrazione dell'erogatore per la produzione di componenti multi-materiali. L'influenza dei parametri erogatore sulle proprietà dei materiali è stato discusso in25. I limiti di valore di parametro sono stati solo impedimento empiricamente. Finora l'esperienza dimostra che la varianza in gocciolina catena altezza e la larghezza non deve superare il 3%. Differenze di diametro fino a 100 micron e differenze di altezza fino a 50 micron possono essere compensate dai parametri di larghezza di impulso, fattore di fusione di goccia (DFF) e larghezza di estrusione (affettare parametro).
È fondamentale per il processo di stampa che l'altezza di strato dei diversi materiali è modificati a vicenda modificando la distanza tra le singole goccioline, poiché si tradurrebbe in un'irregolarità all'interno di un livello se le altezze dei diversi materiali fare non corrispondenza. Un'irregolarità conduce a grandi difetti e componenti difettosi. Riducendo la distanza tra due goccioline e la sovrapposizione maggiore associata, la larghezza e l'altezza della catena gocciolina aumenta a causa del volume quasi costante delle singole gocce. Si può osservare che la larghezza della catena della gocciolina aumenta più velocemente rispetto all'altezza di catena della gocciolina. Non è necessario e probabilmente non è possibile realizzare gli emisferi perfettamente sagomati come singole goccioline, ma è necessario assicurarsi che determinando il raccordo di parametri che l'omogeneità della formazione della gocciolina è molto elevato per garantire un omogeneo di erogazione costruzione dei componenti.
La misurazione a 85 ° C simula il comportamento reologico delle sospensioni nella cartuccia d'alimentazione del micro sistema di erogazione. Sopra 90 ° C, la decomposizione dei componenti raccoglitore comincia (Figura 7). Tutte le sospensioni mostrano un comportamento quasi simile. La temperatura di ugello usato del micro sistema erogazione era 100 ° C. Questa temperatura promuove la formazione della gocciolina grazie alla bassa viscosità causata aumentando la temperatura di sospensioni mentre passando l'ugello. A causa del tempo di sosta breve delle sospensioni all'interno l'ugello a questa temperatura la decomposizione non sta influenzando in modo significativo il comportamento del materiale.
I componenti di multi-colori potrebbero essere sinterizzati quasi privo di difetti, ma per le polveri di ossido di zirconio nero - 2 e zirconia bianca - 2 il colore della fase bianco trasformato in rosa. La causa per il cambiamento di colore sono processi di diffusione tra i diversi materiali durante la sinterizzazione. Questo è solo un effetto sulla superficie e può essere rimosso da una fase di macinazione. Ma questo è molto impegnativo per strutture complesse rese dalle tecnologie AM.
All'interno dei componenti di multi-colori planari e intrecciato confine interfacce sviluppate tra le due diverse composizioni. Così, indipendentemente dal fatto la deposizione di goccia-limite del materiale, la disposizione delle microstrutture diverse può essere realizzata molto precisamente. Inoltre, la forma di goccia può essere sfruttata per aumentare l'interfaccia di confine tra i due materiali. Finora sono state prodotte solo discrete materiale transizioni. La ricerca futura può anche comportare la produzione di cambiamenti graduali tra materiali.

Funzionalmente classificati materiali (MGF) sono materiali con una varietà di proprietà relative transizioni nella microstruttura o nel materiale1. Queste transizioni possono essere discreti o continui. Sono noti diversi tipi di MGF, come componenti con materiale gradienti, porosità graduata, nonché componenti multi-colored.
MGF-componenti possono essere prodotti da singolo convenzionale modellante tecnologie2,3,4,5,6,7 o da una combinazione di queste tecnologie, per ad esempio, mediante etichettatura nello stampo come una combinazione di nastro colata e stampaggio8,9.
Produzione additiva (AM) permette la produzione di componenti con una libertà finora senza precedenti del design. Questo è considerato lo stato dell'arte che modella la tecnologia per polimeri e metalli. I primi processi commerciali per la lavorazione della ceramica sono disponibili10, e quasi tutti i noti AM tecnologie vengono utilizzate per AM della ceramica nei laboratori in tutto il mondo11,12,13.
Per unire i vantaggi di AM con i vantaggi di MGF a base ceramica D 4 componenti (tre dimensioni per la geometria e un grado di libertà riguardanti le proprietà del materiale in ogni posizione) la stampa 3D termoplastico (CerAM - T3DP) è stato sviluppato presso Fraunhofer IKTS a Dresda, in Germania, come una tecnologia direct AM. In questo modo l'AM di componenti multi-materiale14,15,16,17. CerAM - T3DP si basa sulla deposizione selettiva di singole gocce di sospensioni termoplastico particella riempita. Utilizzando sistemi di dosaggio multipli, diverse sospensioni termoplastici possono essere depositati accanto a altro a strati per la produzione di massa del materiale così come sfumature di proprietà all'interno i componenti additivo prodotti verde18. A differenza dei processi AM indiretti, in cui precedentemente depositati materiali solidificano selettivamente sopra l'intero livello, CerAM - T3DP processo non richiede lo sforzo supplementare di rimuovere qualsiasi materiale non solidificato prima la deposizione del materiale successivo, che lo rende più adatto per l'AM di componenti multi-materiali.
Anche se utilizzando il CerAM - T3DP processo permette l'AM delle mutilazioni genitali femminili e la realizzazione di componenti ceramici con proprietà senza precedenti, ci sono sfide da superare per quanto riguarda il trattamento termico necessario dopo il processo di AM, al fine di ottenere un multi-materiale composito. In particolare, le polveri accoppiate in materiale composito devono correttamente essere co-sinterizzati, per cui la sinterizzazione dei componenti deve essere eseguita alla stessa temperatura e atmosfera. Pertanto, è un prerequisito per tutti i materiali avere una temperatura di sinterizzazione comparabile e comportamento (a partire da temperatura di sinterizzazione, comportamento di restringimento). Al fine di evitare sollecitazioni meccaniche critiche durante il raffreddamento, il coefficiente di espansione termica di tutti i materiali deve essere approssimativamente uguale a11.
La combinazione di materiali con proprietà diverse in un unico componente apre le porte ai componenti con proprietà senza precedenti per molteplici applicazioni. Compositi in acciaio inox-zirconia ad esempio possono essere utilizzati come utensili da taglio, componenti resistenti all'usura, energia e componenti per celle a combustibile o strumenti chirurgici bipolare19,20,21,22, 23,24. Tali componenti potrebbero essere realizzati da CerAM - T3DP14,15,16,17, troppo, dopo la regolazione del comportamento sinterizzazione da una speciale fresatura processo16.
MGF a base di ceramica con una porosità graduata come denso e poroso in biossido di zirconio combinare ottime caratteristiche meccaniche in aree densamente popolate con un'alta superficie attiva delle zone porose. Come ad esempio componenti può essere additivo prodotto da CerAM - T3DP18.
In questa carta, studiamo l'AM di componenti di ossido di zirconio con due colori diversi in un unico componente di CerAM - T3DP. Abbiamo scelto di zirconi bianchi e neri, perchè questa combinazione in un unico componente in ceramica è interessante per applicazioni di gioielli. La domanda di beni di lusso individualizzato è molto alta e ancora in crescita. Tecnologie che consentono l'AM di componenti multi-materiali a base di ceramica con una risoluzione elevata e ottime proprietà di superficie consentirà di soddisfare questa richiesta. Ceramica come biossido di zirconio vengono utilizzati ad esempio per orologio di produrre componenti come casse per orologi e cornici o per anelli a causa della speciale haptics, uno sguardo, durezza e peso inferiore rispetto ai metalli.

<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)

Per combinare i vantaggi di additivo Manufacturing (AM) con i vantaggi di materiali funzionalmente graduata (MGF) ai componenti basati su ceramica di 4D (tre dimensioni per la geometria e un grado di libertà riguardanti le proprietà del materiale in ogni posizione) il Stampa 3D termoplastico (CerAM - T3DP) è stato sviluppato. È una tecnologia di AM diretta che permette l'AM di componenti multi-materiali. Per dimostrare i vantaggi dei componenti di zirconio in bianco e nero tecnologia additivo sono stati fabbricati e co-sinterizzata privo di difetti.
Due diverse coppie di polveri di ossido di zirconio bianco e nero sono state utilizzate per preparare diverse sospensioni termoplastici. Appropriati parametri di dosaggio sono stati studiati per la produzione di componenti di test solo materiale e regolati per la produzione di additivi di componenti multi-colore zirconia.

Per la produzione di componenti di misura, solo polveri dello stesso produttore sono state combinate per ogni componente multi-materiale. Esperimenti con le polveri di diversi costruttori in un componente sono ancora in corso. Per questo scopo, le tariffe differenti strizzacervelli sono da considerarsi.
Il risultato della misurazione del diametro medio delle particelle (d50) di zirconia bianca - 1 dopo dispersione era 0,37 µm. Il costruttore dichiara una granulometria effettiva di 0,04 µm (un ordine di grandezza meno). La dimensione media delle particelle (d50) di ossido di zirconio nero - 1 è 0,5 µm. Figura 2 (A) Mostra l'analisi FESEM della zirconia bianca - 1 e Figura 2 (B) una FESEM-immagine della superficie di un granulato in dettaglio. Figura 2 (C) e Figura 2 (D) mostrano la stessa per zirconia nera - 1. Entrambi polveri non trattate è costituito da granuli sferici grandi (diametro fino a 100 µm) che è tipico per le materie di pressatura a secco. Le FESEM-immagini delle superfici granulato mostrano le particelle primarie di zirconia bianca - 1 (Figura 2 (B)) e zirconi neri - 1 (Figura 2 (D)) con una dimensione di particella effettivo di quasi 0.04 µ m.
La Figura 2 (E) – 2 (H) mostrano le FESEM-immagini della zirconia bianca - 2 e zircone nero - 2. Le dimensioni delle particelle media misurata (d50) delle polveri di ossido di zirconio zirconia bianca - 2 e zircone nero - 2 sono 0,27 µm e 0,25 µm, rispettivamente, in cui le particelle sono presenti come granuli sferici con diametri fino a 100 µm (Figura 2 (E) e Figura 2 (G)). La dimensione delle particelle primarie polveri bianco è inferiore a 0,1 µm (Figura 2 (F)). Delle particelle primarie di polveri nere sono fino a 0,5 µm di diametro (Figura 2 (H)).
Figura 3 (A) indica la viscosità dinamica delle sospensioni basato su zirconia bianca - 1 e zircone nero - 1 in funzione della velocità di taglio e in dipendenza della temperatura (85 ° C e 100 ° C). Entrambe le sospensioni mostrano un taglio diradamento comportamento indipendentemente dalla temperatura.
La tabella 1 riassume le viscosità misurate delle sospensioni ai tassi differenti del taglio e per diverse temperature.
Figura 3 (B) viene illustrato il comportamento reologico delle sospensioni a base zirconia bianca - 2 e zircone nero - 2 (85 ° C e 100 ° C). Tutti i grafici mostrano un taglio diradamento comportamento. La tabella 2 riassume le viscosità misurate delle sospensioni ai tassi differenti del taglio e per diverse temperature.
Oltre alle misure di frequenza-controllato di taglio, sono state effettuate misurazioni a lungo termine. Figura 3 (C) Mostra l'andamento della viscosità dinamica durante le misurazioni a lungo termine per tutte le quattro sospensioni a una velocità di taglio costante di 10/s oltre 2 h. Mentre la viscosità dinamica delle sospensioni zirconi bianchi (zirconia bianca - 1 e zirconia bianca - 2) è quasi costante (tabella 3), la viscosità dinamica tende a diminuire leggermente di zirconi neri (ossido di zirconio nero - 1 e zirconi neri - 2).
Dopo la determinazione empirica dei parametri dosaggio realizzazione del singolo componente, tre strutture dimensionali è diventato gestibile per ogni sospensione. Figura 4 Spettacoli (A) una struttura di test complessi sinterizzato basata sulla sospensione di zirconia bianca - 1 e additivo prodotto da CerAM - T3DP. Lo stesso test struttura additivo prodotto da CerAM - T3DP e zircone nero - 1-sospensione è mostrato in Figura 4 (B).
Figura 4 (C) Mostra una struttura di prova sinterizzato basata sulle sospensioni di zirconia della zirconia bianca - 2, Figura 4 (D) una struttura sinterizzato test basata su ossido di zirconio nero - 2. Successivamente la produzione delle componenti di singolo-colore della fabbricazione di componenti multi-colore ha avuto luogo. Figura 4 (D) a 4 (F) mostrano alcuni sinterizzato produzione additiva di zirconia di multi-colore componenti utilizzando il CerAM - T3DP.
Figura 5 (A) e Figura 5 (B) mostrare FESEM-immagini della microstruttura dei componenti multi-colore con un'interfaccia chiaramente distinguibile tra le due sospensioni basato sul biossido di zirconio polveri bianco zirconio - 1 (in alto) e ossido di zirconio nero - 1 (in basso).
Un'energia-dispersiva analisi spettroscopica di raggi x (EDX) ha mostrato che nella microstruttura di sinterizzata zircone nero - 1 più crosta di allumina si verifica (figure 6 (A-C)). Per valutare la composizione della e zirconi neri - 1-microstruttura soprattutto nelle aree scure in più dettaglio ulteriori EDX indagini ha avuto luogo (figure 6 (D-G)) che ha mostrato la precipitazione di allumina (Figura 6 (E) ).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57538/57538fig1.jpg"> Figura 1: disegno CAD del CerAM usato - T3DP-dispositivo con tre gruppi di erogazione micro e uno scanner superficie. <a href="/files/ftp_upload/57538/57538fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57538/57538fig2.jpg"> Figura 2: FESEM-immagine di zirconia utilizzato granulati. (A) granuli di zirconia bianca - 1 - panoramica e superficie (B) ; (C) granuli di ossido di zirconio nero - 1 - panoramica e superficie (D) ; (E) granuli di zirconia bianca - 2 - panoramica e superficie (F) ; (G) zirconia nero - 2 granuli - panoramica e superficie (H) .
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57538/57538fig3.jpg"> Figura 3: comportamento reologico di sospensioni termoplastici. (A) sulla base delle polveri di ossido di zirconio zirconia bianca - 1 e zirconi neri - 1; (B) sulla base delle polveri di ossido di zirconio zirconia bianca - 2 e zircone nero - 2; (C) confronto di tutte le quattro sospensioni durante una misurazione a lungo termine a una costante shear rate di 10/s.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57538/57538fig4.jpg"> Figura 4: singolo e multimateriali sinterizzato testare strutture additivo prodotti da T3DP. (A) basato su zirconia bianca - 1 -sospensione; (B) basato su zircone nero - 1 -sospensione; (C) basato su zirconia bianca - 2 -sospensione; (D) basato su zirconi neri - 2 -sospensione; (E) basato su zirconia bianca - 1 - e zircone nero - 1 -sospensione; (F) basato su zirconia bianca - 2- e zircone nero - 2 - sospensione - struttura-come struttura e struttura anulare (G) .
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57538/57538fig5.jpg"> Figura 5: FESEM-immagini. FESEM-immagini di sezione trasversale all'interfaccia tra sinterizzato zirconia bianca - 1 (in alto) e zirconi neri - 1 (in basso); Interfaccia planare (A) e (B) intrecciato
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57538/57538fig6.jpg"> Figura 6: Risultati delle misurazioni di EDX presso sinterizzato zirconia bianca - 1 / zircone nero - 1 -interfaccia. (A) Panoramica sui campi di misura 1 + 2 e (D) 3-5; risultati del campo di misura (B) 1, (C) campo 2, campo di (E) 3 (F) campo 4 e (G) campo 5.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57538/57538fig7.jpg"> Figura 7: cambiamento di massa della zirconia bianca - 1 - e zircone nero - 1 -sospensioni durante la decomposizione termica <a href="/files/ftp_upload/57538/57538fig7large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/57538/57538table1.jpg"> Tabella 1: viscosità dinamica delle sospensioni termoplastici basato sul biossido di zirconio polveri zirconia bianca - 1 e nero zirconia - 1. <a href="/files/ftp_upload/57538/Table_01.pdf">Per favore clicca qui per scaricare questo file.</a>
<img alt="Table 2" src="/files/ftp_upload/57538/57538table2.jpg"> Tabella 2: viscosità dinamica delle sospensioni termoplastici basato sul biossido di zirconio polveri zirconia bianca - 2 e nero zirconia - 2. <a href="/files/ftp_upload/57538/Table_02.pdf">Per favore clicca qui per scaricare questo file.</a>
<img alt="Table 3" src="/files/ftp_upload/57538/57538table3.jpg"> Tabella 3: viscosità dinamica di tutte le quattro sospensioni durante la misurazione a lungo termine a una velocità di taglio costante di 10/s. <a href="/files/ftp_upload/57538/Table_03.pdf">Per favore clicca qui per scaricare questo file.</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

Componenti ceramici multi-materiali – additivo produzione di componenti di Zirconia in bianco e nero di stampa 3D termoplastico (CerAM - T3DP)

Qui descriviamo un protocollo per additivo produzione di componenti di zirconio in bianco e nero di stampa 3D termoplastico (CerAM - T3DP) e co-sinterizzazione privo di difetti.

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

Questo metodo può aiutare ad aprire la porta dei componenti ceramici a molteplici applicazioni come reattori ceramici, strumenti chirurgici o prodotti di lusso personalizzati. Il vantaggio principale di questa tecnica è che la posizione di alcuni materiali avviene selettivamente. E la certificazione di alcuni materiali avviene indipendentemente da alcune proprietà del materiale.Abbiamo avuto per la prima volta l'idea di questo metodo quando abbiamo pensato all'adattamento delle nostre conoscenze nel campo degli approcci multi-materiale alla produzione additiva. Per effettuare le sospensioni termoplastiche, selezionare prima le polveri. La produzione additiva di oggetti in bianco e nero richiede due polveri.In questo caso, le scelte sono zirconia nero-1 e zirconia bianco-1. Che hanno temperature di centramento comparabili. Ottenere immagini al microscopio elettronico a scansione delle emissioni di campo di entrambe le polveri per caratterizzarne alcune rispetto alla forma delle particelle e alla superficie.Qui il diametro medio delle particelle bianche di zirconia è di circa 4/10 di un micrometro. Come misurato con un diffractometro laser, le particelle nere di zirconia hanno un diametro medio di 1/2 al micrometro. Passare a preparare le sospensioni in un dissolutore riscaldabile.Preparare ogni sospensione separatamente con il dissolvente a 100 gradi celsius sciogliendo una miscela di paraffina e cera d'api. Prima di continuare controllare il recipiente per assicurarsi che la fusione sia completa. Una volta completata la fusione, omogeneizzare la miscela polimerica.Successivamente, ridurre la velocità del disco del resolver. Quindi, su più passaggi, aggiungere lentamente una delle polveri di zirconia, quindi diventa il 40% della miscela in volume. Dopo aver fuso la paraffina, la cera d'api e altri componenti chimici, omogeneizzare la miscela polimerica.Successivamente ridurre la velocità del disco di dissolvenza. Quindi, su più passaggi, aggiungere lentamente una delle polveri di zirconia, quindi diventa il 40% della miscela in volume. Interrompere quando il contenuto di polvere è del 40% in volume.Valore di destinazione sia per le sospensioni in bianco che nero. Quindi, mescolare la miscela di polimeri in polvere per due ore a 100 gradi celsius. Dopo l'agitazione, assicurarsi che la miscela sia omogeneizzata prima del precedente.Come hanno creato, caratterizzare ogni sospensione fusa utilizzando un reometro. Tracciare la viscosità dinamica in funzione della velocità di taglio per temperature diverse. Questi dati sono per zirconia nero-1, e zirconia bianco-1 a due temperature diverse.Per una determinata sospensione e temperatura, assicurarsi che la viscosità dinamica sia inferiore a 100 secondi pascal per una velocità di taglio di 10 al secondo. Sotto i 20 secondi pascal per una velocità di taglio di 100 al secondo. E sotto un secondo pascal per una velocità di taglio di 5000 al secondo.Se necessario, alterare la viscosità dinamica aumentando la temperatura o aggiungendo miscela polimerica. Inizia a lavorare con un dispositivo di stampa 3D termoplastico. Questo disegno raffigura i dispositivi tre micro sistemi di erogazione.Che può funzionare contemporaneamente o individualmente. È raffigurato anche lo scanner di profili utilizzato per aiutare a caratterizzare l'uscita della testina di stampa. Questa è la testina di stampa 3D termoplastica come appare nel sistema di stampa.Selezionare due dei distributori da utilizzare. Per la produzione additiva in bianco e nero, aggiungere la sospensione nera a un distributore e la sospensione bianca all'altro. Quando sei pronto, sperimenta variando la frequenza di deposizione, la velocità dell'asse e altri parametri per singole goccioline e catene di goccioline.Utilizzare lo scanner di profili, che utilizza un laser blu per raccogliere dati per caratterizzare l'output. Identificare i parametri di erogazione in modo che le goccioline di entrambi i materiali abbiano le stesse caratteristiche. Regolare la distanza tra singole goccioline per evitare differenze nelle altezze per materiali diversi.Ecco esempi di singole goccioline e catene di goccioline, prodotte con diversi parametri e utilizzando sospensioni sia in bianco che nero. Esaminare l'output di una serie di parametri per forma, volume e omogeneità. Dopo aver determinato i parametri di stampa, decidere la parte desiderata.Utilizzate un modello 3D generato della parte e salvate il file dei modelli in un formato di produzione additiva. Nel software Slicer, assegnare i due materiali alle diverse aree dei componenti allocando il corrispondente sistema di micro erogazione. Generare e caricare i codici G sulla stampante.Assicurarsi che i parametri siano impostati e avviare il processo. La stampa di questo pezzo richiederà circa un'ora a otto millimetri al secondo. Recuperare l'esempio al termine del processo di costruzione.A questo punto, il campione è pronto per la debinding. Prendi il campione per prepararlo per la debinding. Posizionare il campione in uno schermo grossolano sul letto di polvere di allumina per il supporto e la distribuzione della temperatura.Quindi, mettere il letto di polvere con il campione in un forno ad atmosfera d'aria. E impostare il programma di riscaldamento e raffreddamento per garantire un incollaggio privo di difetti. Recuperare il campione quando è a temperatura ambiente.E continuare con i prossimi passi. Rimuovere il campione dalla polvere da letto. Quindi, rimuovere con cura qualsiasi polvere da letto con un pennello fine.Per un secondo debinding, posizionare il campione sui mobili del forno di allumina. Tornare al forno ad atmosfera d'aria e utilizzare una velocità di riscaldamento più rapida e la stessa velocità di raffreddamento per il campione. Dopo il raffreddamento, portare il campione in un forno di centramento dell'atmosfera d'aria.Centrare il campione a 1.350 gradi celsius, per due ore. Questo è il pezzo prodotto alla fine dei gradini di debinding e centramento, insieme al suo modello 3D. Utilizzare uno scanner 3D per caratterizzare il restringimento dei componenti, che dovrebbe essere di circa il 20% in ogni direzione.Eseguire un'ulteriore caratterizzazione su campioni stampati tagliati e lucidati. Questa immagine di microscopia elettronica a scansione delle emissioni di campo è della sezione trasversale all'interfaccia della planiera tra zirconia centrata bianco-1 e zirconia nera-1. Ottenere maggiori informazioni con l'analisi spettroscopica a raggi X dispersiva di energia delle due regioni.Alla ricerca di picchi associati all'allumina, i risultati indicano che più croce di allumina si verifica in zirconia nero-1. Questi punti di misurazione si trovano all'interno della regione nera della zirconia. La loro composizione viene rivelata con spettroscopia a raggi X dispersiva di energia.Gli spettri di questa analisi più dettagliata, mostrano che la microstruttura nera di zirconia ha l'allumina precipitata. Una volta padroneggiata, questa tecnica può cambiare il modo di progettare e utilizzare componenti ceramici. Durante l'utilizzo di questa tecnologia devi ricordare che è solo una tecnologia di modellatura.E i corpi verdi devono essere disassociati e centrata per ottenere le proprietà ceramiche finali. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come combinare i materiali ceramici con la produzione additiva.

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