Name: fused filament fabrication (fff) of metal-ceramic components
Uploaded: 2019-01-11T12:30:00
Duration: 8 min 43 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fused Filament Fabrication FFF of Metal-Ceramic Components at JoVE.com

Dette prosjektet har mottatt finansiering fra EUs horisonten 2020 forskning og innovasjonsprogram under Grant avtalen ingen 678503.

1. materialer
<ol><li>Utvalg for dokumentordner<ol>
<li>Velge bindemiddel i henhold til kriteriene svært fylt forbindelser (pulver innholdet av ca 50 vol. %) definert for FFF: høy mekanisk styrke, nok stivhet, lav viskositet og fleksibilitet for utskriftskø. En drastisk reduksjon fleksibilitet og økt viskositeten kan forventes av en høy solid lasting. Merk: I denne studien, en multi-komponent bindemiddel system var ansatt. Fleste av komponentene besto av et termoplastisk elastomer å bedre fleksibilitet og styrke. En functionalized polyolefin var inkludert som en ryggrad å forbedre vedheft med pulver. Til slutt, stearinsyre (ca 5 vol. %) ble innlemmet som en surfactant for god spredning av pulver. Konfidensialitet årsaker avsløres ikke mer informasjon.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Utvalg av pulver<ol>
<li>Velge en passende pulver par for multi-materiale tilnærming. For co behandling av en keramisk og et metall pulver, velge materialer med samme koeffisient av termisk ekspansjon (CTE) og samme krymping virkemåte under sintring i samme sintring atmosfære.</li>
		<li>Velg bestemte keramiske karakteren. Velg tetragonal yttria-stabilisert zirconia CTE og sintring temperaturen er sammenlignbare med spesielle rustfritt stål samt høy seighet og Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk styrken på denne keramisk materiale. Bruke zirconia pulver med et bestemt område på 7 ± 2 m2/g og en partikkelstørrelse d50 = 0,5 µm.</li>
		<li>Velg bestemte metall karakteren. Bruke rustfritt stål pulver som den ledende og ductile metallisk materialet. Materialet må ha en tilsvarende CTE og en lignende rekke sintring temperaturen til de av zirconia under en beskyttende hydrogen atmosfære.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Justering av sintring atferd<ol>
<li>For å oppnå en stress-fri co sintring, justere temperaturen avhengige belastning virkemåten (krymping på grunn av sintring og termisk ekspansjon) av begge pulver. Zirconia pulver som brukes har høy overflate energi på grunn av de fine partiklene, endre rustfritt stål pulver ved raffinering forholdsvis stor metall-partikler og øke forvridning tettheten av deformasjon av atomic gitteret. Merk: Først under utmattelseskrig fresing, sfærisk stål partiklene er re-formet i tynn og sprø flak med en ekstremt høy forvridning tetthet. Dernest under det høy energi fresing steget (planetenes ball fresing, PBM) er deles sprøtt flak inn i svært finkornet partikler med en økt sintring evne. På denne måten økt sintring aktivitet av metallisk pulver kan nås og krympende kurven kan justeres til kurven på zirconia, viser bare små forskjeller19,20.<ol>
<li>Bruke slitasje fresing (180 min) til sfærisk rustfritt stål partikler å re-forme i tynn og sprø flak.</li>
			<li>Utføre planetenes ballen fresing (240 min) å bryte sprø flak i svært finkornet partikler med størrelsesforholdet redusert men en økt sintring evne.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>Evaluere justeringen suksess<ol>
<li>Bruk en stang eller optisk dilatometer å måle krymping virkemåten til egnet materiale komprimerer og sammenligne resultatene. Bruke volumetriske pulver innholdet i begge materialene er den samme og bruker samme målingen (oppvarming priser, atmosfære, maksimum temperatur, bor tid).</li>
		<li>Hvis det er en høy mismatch sintring oppførsel, justere parameterne fresing av rustfritt stål pulver. Finere pulver vil føre til en lavere sinter starter temperatur. En lengre slitasje fresing tid vil føre til høyere forvridning energier og høyere krymping. Planetenes fresing fører til klasket pulver som brukes i polymer forbindelser. Merk: Suksess for justeringen er påvirket av råvarer. Optimalisering må utføres. En forskyvning av sintring kurver kan også genereres av fractioning til pulver. Fint pulver fraksjoner pleier å begynne sintring ved lavere temperaturer.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. filament produksjon
<ol><li>Råstoff forberedelse Merk: For utarbeidelse av zirconia råstoff, tørr pulver for å redusere sin tendens til å agglomerate27. Tørr materialet 80 ° C i vakuum ovn i minst 1 time.<ol>
<li>Pre sammensatte materialet i en berg rotorer mikser i 30 minutter på 60 rpm.<ol>
<li>Kontroller at temperaturen er høy nok til å smelte alle dokumentordner komponentene. Presentere binder komponentene og vente til smelting. Feed pulveret i 5 laster påfølgende hver 5 min.</li>
			<li>På slutten av prosessen, ekstra materialet fra kammeret i små biter å lette trinn 2.1.2. Merk: For både materialer, pulver innholdet i 47 vol. % ble realisert i de termoplastiske feedstocks.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Granulate eller pelletize av solid materiale etter nedkjøling til romtemperatur.<ol>
<li>Når en kutte mill er ansatt, presentere materialet bitene gradvis. Vent til brikkene i er granulert for å innføre neste de.</li>
			<li>Ved utgangen av kammeret, bruk en sil med 4 x 4 mm kvadrat perforeringer for å få granulater av tilstrekkelig størrelse. Denne prosedyren er nødvendig for en kontinuerlig mating av twin skrue extruder eller skjær roller (trinn 2.1.3).</li>
		</ol>
</li>
		<li>Sammensatte materialet høyt skjær priser forbedre spredning, eksempelvis i en co roterende twin skrue extruder (TSE) eller i en skjær rulle extruder. Samle materiale med et transportbånd og avkjøle det ned til romtemperatur. Merk: I denne studien, en co roterende twin skrue extruder ble brukt. Rotasjonshastigheten skruen ble satt til 600 rpm og en temperatur profil fra 170 ° C i sonen fôring til 210 ° C i dø ble definert.</li>
		<li>Granulate eller pelletize av solid materiale etter nedkjøling til romtemperatur. Bruk prosedyren for 2.1.2 eller pelletize materialet på slutten av samlebåndet med en pelletizer. Om nødvendig gjenta prosessen til pellets har en lengde lik eller mindre enn 4 mm.</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig2.jpg"> Figur 2 : Filament produksjonslinjen. Materialet er heves på en kontrollert måte av regulering av ekstrudering hastighet og temperatur. Etterpå kan det samles og drevet av et transportbånd og hale av enheten. Filament diameter er målt, og hvis verdiene i ønsket område, filament er i utskriftskøen. For å regulere filament dimensjonene, må rykk og spoling hastighetene stadig justeres. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig2large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<ol start="2"><li>Filament ekstrudering Merk: Figur 2 viser et fargevalg produksjonsprosessen for filament forberedelse og den variable parametere som definerer filament diameteren på bunnen. Filament samles av et transportbånd og trukket av to par counter roterende valser. Diameter og ovality verdiene måles i en laser måleutstyr, og parameterne prosessen justeres regulere filament geometrien. Materialet er endelig lagret på spoler. Produksjon av filamenter med en konstant rekke dimensjoner er avgjørende for repeterbarhet av prosessen, siden volumet flyten i FFF er avhengige av filament geometri.<ol>
<li>Extrude materialet på 30 rpm ved en temperatur over smeltepunktet for dokumentordner. For en god kontroll av trykk og filament kvalitet, bruke en enkelt skrue extruder med munnstykke diameter minst 1,75 mm. Merk: For små mengder materiale, et høytrykk kapillært rheometer kan være ansatt i materielle utviklingsfasen. Likevel, en dårlig dimensjonal kvaliteten på filament ventet. Merk: Trinn 2.1 og 2.2.1 kan kombineres i en tilstrekkelig twin skrue ekstruderingsprosessen.</li>
		<li>Samle ekstrudert materialet. Bruk et transportbånd å samle og kjøle ned ekstrudert materialet. Luft eller vann kjøling elementer kan være nødvendig når du bruker høy ekstrudering hastigheter.</li>
		<li>Mål og kontrollere størrelsen på filament. For en bestemt ekstrudering hastighet, gradvis regulere transportbånd og trekke hastigheter for å justere størrelsen på filament (redusere transportøren og trekke hastigheter for en høyere diameter). Produsere filamenter med en diameter rekke 1,70 til 1.80 mm og ovality mindre enn 0.10 mm. Merk: Den ovality verdien er definert som differansen mellom maksimum og minimum diameter. For en perfekt runde filament, må et ovality på null hentes.</li>
		<li>Spole materialet. En ekstra spoling (figur 2) kan plasseres på slutten av samlebåndet for automatisk utskriftskø.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. additiv produksjon av grønne komponenter
<ol><li>Undersøkelse av optimal prosess parametere<ol>
<li>Bruke kommersielle kutting programvare før du skriver ut. Denne programvaren kan brukes til å definere parameterne for utskrift og generere g-koden for utskriftsenheten ut av 3D-CAD modell.</li>
		<li>For utskrift, kan du vurdere følgende viktige parametere:</li>
	</ol>
<ul style="margin-left: 40px;">
<li>seng temperatur for seng vedheft</li>
		<li>utskriftshastighet av ulike materialer</li>
		<li>varierende ut temperatur for konstant materialflyt</li>
		<li>kontroll av kjølevifte støtte størkning trykte strand</li>
		<li>skrive ut temperatur for forbedret vedheft mellom lag</li>
		<li>retraksjon parametere for å unngå oser og bruker en «prime pilar»</li>
		<li>varierende materialflyt å sikre samme strand bredde av ulike materialer</li>
	</ul>
</li>
	<li>AM test komponenter<ol>
<li>Utføre av grønne prøver med 3D trykkeriet (se Tabell for materiale). Produsere én-materiale test komponenter før du skriver ut multi-materiale komponenter.<ol>
<li>Korriger enhver mulig forskyvning av dysene i skriverprogramvaren før produksjon multi-materiale komponenter.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Enkelt komponent produksjon<ol>
<li>Last skrivehodet 1 med zirconia filament og skrivehodet 2 med rustfritt stål-filament. Begge filamenter, bruke en skrivehodet hastighet på 10 mm/s og utskriften sengen temperatur på 20 ° C. Sett skrivehodet temperaturen på zirconia til 220 ° C og rustfritt stål til 240 ° C. Merk: Som en første test geometri prøve, cuboids ble produsert for enkelt materialer og forskjellige sandwich oppsett har blitt valgt for komponenten multi-materiale. Alle grønne komponenter hadde endelig dimensjoner av 15 x 15 mm og tykkelse 1-3 mm og ble produsert med lagtykkelse på 0,25 mm. Skrivehodet temperaturen kan endres for å oppnå den ønskede flowability av feedstocks. Øke temperaturen fører til en reduksjon av viskositeten. De optimale utskriftstemperatur av de to materialene kan variere.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Multi-materiale produksjon<ol>
<li>Produsere multi-materiale komponenter av vekslende med to eller tre forskjellige lag, f.eks., 1 mm rustfritt stål / 1 mm zirconia / 1 mm rustfritt stål eller 1 mm zirconia / 1 mm rustfritt stål / 1 mm zirconia. Merk: I multi-komponent utskrift, kan det være veldig nyttig å bruke en "prime søyle" for skarp og presis materiale overganger. Når du endrer hodet, er noen millimeter filament nødvendig til materialet fylles brukte munnstykket til ekstrudert, fører til hull. Derfor er utseendet på delen ikke så god som det kunne være. For å unngå dette problemet, kan du skrive ut "prime pilar» ved siden av delen, dette kan angis i programmet. Et lag med førsteklasses pilaren (rektangulær tårnet, Figur 3) vil bli skrevet ut først når du endrer munnstykket, slik at munnstykket er primet og klar til å skrive ut før du fortsetter med del lagene.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Optimalisering av produksjon<ol>
<li>Bruk en "sive-shield" hvis nødvendig; Dette er en trykt tynn vegg rundt komponenten (Figur 4). Etter skrivehodet endres for andre komponenten utenfor delen, har munnstykket krysse denne veggen når den beveger seg fra tårnet. Alle overholde materiale vil bli skrellet av fra dysen med dette skjoldet og presisjonen for materiale avsetning på delen som skrives kan økes. Merk: Ytterligere optimaliseringer angående oppnåelig kvaliteten er mulig ved finere justeringer av flyten, ekstrudering bredden og ekstrudering multiplikatoren, forutsatt at diameteren på filament er konstant.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig3.jpg"> Figur 3 : Produksjonsprosess for metall keramisk komponent med tårnet struktur. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig3large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig4.jpg"> Figur 4 : Virkelig ut av en komponent med omkringliggende ooze-skjerme. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig4large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
4. debinding og sintring komponenter
<ol><li>Utføre debinding i to sammenhengende trinn. Først utføre løsemiddel utvinning og deretter termalbehandling oppløse gjenværende dokumentordner komponentene.<ol>
<li>Utføre løsemiddelekstraksjon med trykt grønn deler med cyclohexane på 60 ° C. Dekker prøvene med nok cyclohexane og behandle dem for 8 h. vurdere brann sikkerhetsaspekter når du utfører dette trinnet. Et løselig dokumentordner innhold på ca 7-9 wt. % vil bli fjernet her. Merk: Bruk en løsemiddelekstraksjon fører til redusert oppblåsthet effekter under påfølgende thermaldebinding.</li>
		<li>Utføre termisk debinding i en debinding ovn i en argon atmosfære for å beskytte materialet fra reduksjon (skjedde under nitrogen atmosfære) eller oksidering. Bruk maksimum temperatur på 440 ° C og ulike oppvarming priser mellom 5 ° C/t og 150 ° C/t.<ol>
<li>Å karakterisere eller optimalisere debinding virkemåten til både feedstocks, bruk en thermogravimetric analyse under nitrogen flyter opp til 600 ° C å vurdere riktig oppvarming priser.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>Utføre sintring i et reduserer 80% argon og 20% hydrogen i en høy temperatur tungsten ovn. Bruke oppvarming priser mellom 3 ° C/min og 5 ° C/min for å nå maksimum temperatur på 1,365 ° C. Etter en holdetiden 3 h, kule ovn til romtemperatur.</li>
</ol>

<ol>
	<li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> ISO/ASTM 52900:2015(en): manufacturing - General principles - Terminology. , (2015).</li><li>Lakshminarayan, U., Orgrydiziak, S., Marcus, H. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selective+laser+sintering+of+ceramic+materials.">Selective laser sintering of ceramic materials.</a> Proceedings of Solid Free-Form Symposium. , 16-26 (1990).</li><li>Lauder, A., Cima, M. J., Sachs, E., Fan, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three+dimensional+printing:+Surface+finish+and+microstructure+of+rapid+prototyped+components.">Three dimensional printing: Surface finish and microstructure of rapid prototyped components.</a> Materials Research Society Symposium Proceedings. 249, 331-336 (1992).</li><li>Chartier, T., Badev, A., Somiya, S. <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 2nd ed. , (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+material.">Additive Manufacturing of ceramic-based material.</a> Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).</li><li>Zocca, A., Colombo, P., Gomes, C. M., G&#252;nster, J. <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+Ceramics:+Issues,+Potentialities,+and+Opportunities.">Additive Manufacturing of Ceramics: Issues, Potentialities, and Opportunities.</a> Journal of the American Ceramic Society. 98 (7), 1983-2001 (2015).</li><li>Felzmann, R., Gruber, S., Mitteramskogler, G., Tesavibul, P., Boccaccini, A. R., Liska, R., Stampfl, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lithography-based+additive+manufacturing+of+cellular+ceramic+structures.">Lithography-based additive manufacturing of cellular ceramic structures.</a> Advanced Engineering Materials. 14, 1052-1058 (2012).</li><li>Fischer, U. K., 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=Lichth&#228;rtende+Keramikschlicker+f&#252;r+die+stereolithographische+Herstellung+von+hochfesten+Keramiken.+(light+curing+ceramic+suspensions+for+stereolithography+of+high-strength+ceramics).">Lichth&#228;rtende Keramikschlicker f&#252;r die stereolithographische Herstellung von hochfesten Keramiken. (light curing ceramic suspensions for stereolithography of high-strength ceramics).</a> European patent. , (2012).</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>. France's 3DCeram partners with Japanese firm Sinto to expand ceramic 3D printing in Asia and US Available from: <a target="_blank" href="https://www.3ders.org/articles/20171006-frances-3dceram-partners-with-japanese-firm-sinto-to-expand-ceramic-3d-printing-in-asia-and-us.html">https://www.3ders.org/articles/20171006-frances-3dceram-partners-with-japanese-firm-sinto-to-expand-ceramic-3d-printing-in-asia-and-us.html</a> (2017)</li><li>Scheithauer, U., 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=CerAMfacturing+-+Development+of+ceramic+and+multi-material+components+by+additive+manufacturing+methods+for+personalized+medical+products.">CerAMfacturing - Development of ceramic and multi-material components by additive manufacturing methods for personalized medical products.</a> 3D printing in Medicine. 2 (1), (2017).</li><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>Scheithauer, U., 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=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> Materials. 10 (12), 1368 (2017).</li><li>Moritz, T., 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=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>Scheithauer, U., Schwarzer, E., 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=Additive+Manufacturing+of+ceramic+heat+exchanger+-+Opportunities+and+limits+of+the+Lithography-based+Ceramic+Manufacturing+(LCM).">Additive Manufacturing of ceramic heat exchanger - Opportunities and limits of the Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM).</a> Journal of Materials Engineering And Performance: Design, Process, Characterization, Evaluation. 27 (1), 14-20 (2018).</li><li>Schwarzer, E., G&#246;tz, M., Markova, D., Stafford, D., Scheithauer, U., Moritz, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lithography-based+ceramic+manufacturing+(LCM)+-+Viscosity+and+cleaning+as+two+quality+influencing+steps+in+the+process+chain+of+printing+green+parts.">Lithography-based ceramic manufacturing (LCM) - Viscosity and cleaning as two quality influencing steps in the process chain of printing green parts.</a> Journal of the European Ceramic Society. 37 (16), 5329-5338 (2017).</li><li>Scheithauer, U., Schwarzer, E., Richter, H. J., Moritz, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermoplastic+3D+Printing+-+An+Additive+Manufacturing+Method+for+Producing+Dense+Ceramics.">Thermoplastic 3D Printing - An Additive Manufacturing Method for Producing Dense Ceramics.</a> Journal of Applied Ceramic Technology. 12 (1), 26-31 (2014).</li><li>Scheithauer, U., Bergner, A., Schwarzer, E., Richter, H. -. J., Moritz, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Studies+on+thermoplastic+3D+printing+of+steel-zirconia+composites.">Studies on thermoplastic 3D printing of steel-zirconia composites.</a> Journal of Materials Research. 29 (17), 1931-1940 (2014).</li><li>Scheithauer, U., 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+Metal-Ceramic-Composites+by+Thermoplastic+3D-Printing.">Additive Manufacturing of Metal-Ceramic-Composites by Thermoplastic 3D-Printing.</a> Journal of Ceramic Science and Technology. 06 (02), 125-132 (2015).</li><li>Agarwala, M. K., Bourell, D. L., Beamen, J. J., Marcus, H. L., Crawford, R. H., Barlow, J. W., 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=Filament+Feed+Materials+for+Fused+Deposition+Processing+of+Ceramics+and+Metals.">Filament Feed Materials for Fused Deposition Processing of Ceramics and Metals.</a> Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. 7, (1996).</li><li>Kukla, C., Herranz, G., Ferrari, B., Cabrera, J. M., 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=Fused+Filament+Fabrication+(FFF)+of+PIM+Feedstocks.">Fused Filament Fabrication (FFF) of PIM Feedstocks.</a> Actas del VI Congreso Nacional de Pulvimetalurgia y I Congreso Iberoamericano de Pulvimetalurgia 2017, 1st ed. , 1-6 (2017).</li><li>Agarwala, M. K., 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=Structural+Ceramics+by+Fused+Deposition+of+Ceramics.">Structural Ceramics by Fused Deposition of Ceramics.</a> Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. , (1995).</li><li>Agarwala, M. K., Bourell, D. L., Beamen, J. J., Marcus, H. L., Crawford, R. H., Barlow, J. W., 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=Fused+Deposition+of+Ceramics+and+Metals:+An+Overview.">Fused Deposition of Ceramics and Metals: An Overview.</a> Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. , (1996).</li><li>Onagoruwa, S., Bose, S., Bandyopadhyay, A., Bourell, D. L., Beaman, J. J., Crawford, R. H., Marcus, H. L., Wood, K. L., Barlow, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fused+Deposition+of+Ceramics+(FDC)+and+Composites.">Fused Deposition of Ceramics (FDC) and Composites.</a> Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. , (2001).</li><li>McNulty, T. F., Shanefield, D. J., Danforth, S. C., Safari, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dispersion+of+Lead+Zirconate+Titanate+for+Fused+Deposition+of+Ceramics.">Dispersion of Lead Zirconate Titanate for Fused Deposition of Ceramics.</a> Journal of the American Ceramic Society. 82 (7), 1757-1760 (1999).</li><li>Mutsuddy, B. C., Ford, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Ceramic injection moulding. , (1995).</li><li>Edirisinghe, M. J., Evans, J. R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Compounding+Ceramic+Powders+Prior+to+Injection+Moulding.">Compounding Ceramic Powders Prior to Injection Moulding.</a> Proceedings of the British Ceramic Society. 38, 67-80 (1986).</li><li>Suri, P., 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=Effect+of+mixing+on+the+rheology+and+particle+characteristics+of+tungsten-based+powder+injection+molding+feedstock.">Effect of mixing on the rheology and particle characteristics of tungsten-based powder injection molding feedstock.</a> Materials Science and Engineering: A. 356, 337-344 (2003).</li><li>Venkataraman, 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=Mechanical+and+Rheological+Properties+of+Feedstock+Material+for+Fused+Deposition+of+Ceramics+and+Metals+(FDC+and+FDMet)+and+their+Relationship+to+Process+Performance.">Mechanical and Rheological Properties of Feedstock Material for Fused Deposition of Ceramics and Metals (FDC and FDMet) and their Relationship to Process Performance.</a> Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium 1999. , 9-11 (1999).</li><li>Scheithauer, U., 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=Investigation+of+Droplet+Deposition+for+Suspensions+Usable+for+Thermoplastic+3D+Printing+(T3DP).">Investigation of Droplet Deposition for Suspensions Usable for Thermoplastic 3D Printing (T3DP).</a> Journal of Materials Engineering and Performance. 27 (1), 44-51 (2017).</li><li>Weingarten, S., 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=Multi-material+Ceramic-Based+Components+-+Additive+Manufacturing+of+black-and-white+Zirconia+Components+by+Thermoplastic+3D-Printing+(T3DP).">Multi-material Ceramic-Based Components - Additive Manufacturing of black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing (T3DP).</a> Journal of Visual Experiments. , (2018).</li></ol>

Forfatterne ikke avsløre.

Zirconia og rustfritt stål er brukt her er svært godt egnet for co sintring metall keramisk komponenter på grunn av den sammenlignbare CTE sintring temperaturen og sintring atmosfære. Sintring virkemåten til zirconia og rustfritt stål feedstocks kan justeres ved behandling av rustfritt stål pulver (figur 9) vellykket. Ved hjelp av nevnte materialer og metoder, er det mulig å produsere makroskopisk feilfrie deler av FFF for første gang. Forfatternes vet, er ingen andre sammenlignbare AM metoden kjent for å produsere slike deler unntatt T3DP19,20. En søknad om keramiske metallkomponenter vises i Figur 17, som er varmekabel med en elektrisk ledende løkker rustfritt stål i et skille zirconia matrise.
En av de største utfordringene for FFF metalliske og keramiske komponenter er den dramatiske økningen av stivhet og skjørhet av filamenter på grunn av det høye solid innholdet. Derfor var valg av riktig dokumentordner komponentene en viktig faktor for suksess for prosjektet. Dessuten, kan styrke og fleksibilitet i filamenter forbedres ved bruk av en høy skjær miksing teknikk (figur 7). Ifølge tidligere studier med svært fylt systemer28, kan denne forbedringen være forårsaket av en bedre pulver spredning og reduksjon av agglomerates29,30.
Etterforskningen og justering av byggesystemer, trekke og spole hastigheter under produksjonsprosessen filament tillatt produksjon av svært partikkel-fylt filamenter med riktig dimensjoner. Andre parametre som temperatur fordelingen i extruder samt bruk av kjøleenheter betydelig påvirket filament kvaliteten og ble valgt nøye.
Begge filamenter ble behandlet i FFF-enheten. Vedheft mellom feedstocks ble funnet for å være svært god i grønne (figur 7-9). Bare noen små ufylte volumer var synlig, som er typisk for en toppmoderne FFF prosess (figur 13). For å lukke disse kritiske volumer med termoplastisk materiale, FFF-enheten ble utstyrt med to mikro dispensering enheter kjent fra T3DP18,19,20,31,32, som tillate avsetning av enkelt dråper lukke utilstrekkelig fylt volumene, samt produksjon av mindre strukturer (figur 14 og 15).
Geometriske begrensningene i del kompleksitet eller oppløsning er sterkt avhengig av skriveroppsettet kontinuerlig materialet flyt og brukte kutting programvaren. Reglene og det resultatet del er høyst funnet for å være ligner FFF plast.

Ifølge ISO/ASTM er additiv produksjon (AM) den generelle betegnelsen for teknologier som oppretter fysiske objekter basert på en geometriske representasjon av påfølgende tillegg materiale1. Derfor gir disse teknologiene muligheten for produksjon komponenter med ekstremt komplekse geometri, som kan oppnås av noen andre forme teknikk kjent til forfatterne.
Keramiske materialer har vært studert siden den tidlige utviklingen av ulike AM teknologier i siste kvartal tallet2,3; additive industrien keramiske komponenter er imidlertid ikke toppmoderne i motsetning additiv produksjon av polymer eller metall komponenter. Flere oversikter om AM teknologiene anvendt for keramiske komponentene er gitt av Chartier et al. 4, Travitzky et al. 5 og Zocca et al. 6, som kan klassifiseres i henhold til staten av materialet som brukes - pulver materialer, flytende materialer og solide materialer4,5 eller ut fra materielle avsettelse og herding6 . AM enheter er tilgjengelige som tillater additiv produksjon av tett og høykvalitets keramiske komponenter med de ønskede egenskapene for de fleste programmer7,8,9,10 , 11.
Produksjon av keramiske komponenter krever komplisert behandling, og dette har stoppet fremdriften i AM av keramikk. Likevel er keramiske komponenter uunnværlig for spesielle forbruksvarer og medisinsk utstyr og AM åpner nye horisonter for fabrikasjon av romanen komponenter med "umulig" geometrier12. Tekniske keramiske komponenter, en påfølgende termalbehandling produserte komponenter kreves siden AM utformingen av keramikk krever bruk av pulver suspendert i organisk bindemidler som må fjernes (dvs., debinding) før den pulver er smeltet sammen (dvs. sintring).
AM av multi-materiale eller multi-funksjonelle komponenter kombinerer fordelene med AM og funksjonelt gradert materiale (FGM)13 i keramisk-basert 4 D-komponenter14. Materielle hybrider at egenskapen kombinasjoner som elektrisk ledende/isolerende, magnetiske/ikke-magnetisk, ductile/harddisk eller annen colorations. Hybrid komponenter kan vise sensor eller aktuator funksjoner kjent fra MEMS (mikro elektromekaniske systemer)15 også. Videre kan metal/keramiske kompositter utfylle begynte keramiske deler til maskiner siden konvensjonelle weldable stål partnere kan brukes.
Det europeiske prosjektet cerAMfacturing (EU-prosjekt CORDIS 678503) utvikler AM teknologier for enkelt materiale komponenter og en helt ny tilnærming til AM multi-materiale komponenter, som vil tillate serieproduksjon av tilpasset og multifunksjonelle komponenter for ulike programmer12. Tre ulike suspensjon-baserte AM teknikker er kvalifisert til å tillate AM keramiske keramisk samt metall keramisk komponenter. Utnyttelsen av suspensjon-baserte AM teknikker løfter bedre komponent ytelse i forhold til pulver-baserte metoder. Partikkel fordelingen av pulver i en suspensjon er mer homogen og mer kompakt enn i et pulver bed, gi metodene forme høyere grønne tettheter, som resulterer i sintered komponenter med tett microstructures og lav overflateruhet nivå12.
Sammen med litografi-baserte keramiske produksjon (LCM)7,8,9,10,11,16,17, smeltet filament fabrikasjon (FFF) og termoplastisk 3D-utskrift (T3DP)12,14,18 utvikles. FFF og T3DP er mer egnet for AM multi-materiale komponenter enn LCM selektiv avsettelse og herding av visse materiale i stedet for ren selektiv størkning materiale avsatt over hele laget14 .
En ekstra fordel av FFF og T3DP forhold til LCM er bruk av termoplastisk dokumentordner systemer i stedet for bilde-herding polymerer. Den bindemiddel gjør behandlingen av pulver uavhengig av deres optiske egenskaper som absorpsjon, utslipp og refleksjon av elektromagnetiske bølger, f.eks mørke og lyse materiale (i synlig område), som er nødvendig for produksjon metal keramisk komponenter19,20. Videre er lav investering nødvendig for FFF utstyr siden en rekke standard enheter er tilgjengelig. Denne teknikken blir økonomisk på grunn av den høye materialeffektivitet og resirkulerbare materialer. Endelig er FFF lett å oppskalere for store deler siden prosessen er avhengig av flytte skrivehodet aksler.
Dette dokumentet presenterer de første resultatene av produksjon metall-keramiske kompositter ved hjelp av FFF. I tillegg vises den tekniske kombinasjonen av FFF-og T3DP, selv om det er fortsatt under utvikling. I prosessen FFF er filamenter av termoplastisk polymerer smeltet og selektivt ekstrudert av to counter roterende elementer. Når materialet er ekstrudert gjennom munnstykket, størkner det av kjøling, slik at produksjonen av komponenter lag-på-lag. For å produsere endelig keramiske og metallisk komponenter, har en variant av prosessen vært utviklet21,,22,,23,,24,,25,,26. De polymere forbindelsene, kjent som binders, er svært fylt med en metallisk eller keramiske pulver. Når utformingen av komponentene er gjennomført ved hjelp av konvensjonelle FFF tilnærming, kreves det to ekstra trinn. Først må polymere komponentene helt fjernes fra de i debinding scenen, generere en struktur med flere mikrostørrelse porene. For å oppnå de endelige egenskapene, er pulver komprimerer deretter sintret ved en temperatur under Smeltepunkt av materialet. Bruker denne tilnærmingen, produksjon av materialer som silicon nitride, smeltet silika, piezoelectric keramikk, rustfritt stål, wolframkarbid-kobolt, alumina eller titandioksid23,24,25 har blitt vellykket utført andre steder.
Bruk av svært fylt polymere filamenter og karakteristisk for prosessen innføre visse krav i materialer21. God kompatibilitet må angis mellom termoplastisk dokumentordner komponentene og pulver, som må distribueres homogent bruke sammensatte teknikker ved temperaturer over Smeltepunkt av organisk bindemiddel komponenter, for eksempel elting eller skråstille rullende. Siden den solide filament har som et stempel i skrivehodet å presse smeltet materiale, kreves en høy stivhet og en lav viskositet aktivere byggesystemer materialet gjennom munnstykket med typiske diameter mellom 0,3 1.0 mm. I mellomtiden må materialet ha nok fleksibilitet og styrke å være formet som en filament som kan legges i kø. Hvis du vil kombinere alle disse egenskaper selv har en stor belastning av pulver, ulike multi-komponent dokumentordner systemene har vært utviklet21,22,26.
I tillegg til tilstrekkelig dokumentordner formulering, har en ny kjøring system vært ansatt i dette arbeidet. Vanligvis brukes toothed drivhjulene å presse filament gjennom munnstykket. Disse tennene kan skade den skjøre filament. For å redusere mekanisk kravene til filamenter og øke ekstrudering trykket under FFF prosessen, ble konvensjonelle FFF systemet av toothed drivhjulene erstattet av en spesiell dobbel båndsystem. Høy friksjon og veiledning genereres på grunn av lengden, formen og den spesielle gummibelegg av belter. Det viktigste spørsmålet hindrer noen buckling av filament gjennom skrivehodet. Filament må styres hele veien til munnstykke, ingen ledig plass er tillatt og nødvendig overganger mellom komponentene må vurderes.
Etter å ha forlatt mating, kommer filament munnstykke enheten. Hovedmålene var designet temperatur ledelse og gapless veiledning. Utviklet skrivehodet er vist i figur 1.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig1.jpg"> Figur 1 : CAD-modellen av nye belte enheten (øverst) og bilde av ekte (nederst). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig1large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
En annen stor utfordring adressert for produksjon av metall keramisk komponenter er utvalget av pulver som tillater co behandling i løpet av den termale behandlingen (sammenlignbare koeffisient av termisk ekspansjon (CTE), temperatur regimer og atmosfære) og spesielt justeringen av krymping virkemåten til begge materialene under sintring trinnet. I dette arbeidet, forsøk er gjort for å kombinere zirconia og endret rustfritt stål 17-4PH siden de har en tilsvarende CTE (ca. 11 x 10-6/K) og kan være sintret ved samme vilkår (redusere hydrogen atmosfære, sintring temperaturen: 1350-1400 ° C). For å justere krymping atferden, er imidlertid en spesiell fresing prosedyre for metalliske pulveret nødvendig19,20.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:680px;" width="679">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:171px;">Zirconia</td>
			<td style="width:188px;">TZ-3YS-E&#160;</td>
			<td style="width:195px;">Tosoh, Europe B.V.</td>
			<td style="width:127px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Stainless steel</td>
			<td>UNS17400 -38 &#181;m</td>
			<td>Sandvik Osprey Ltd.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Table of Devices and Software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">slicing software</td>
			<td>Simplify 3D</td>
			<td>Simplify 3D, USA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="35">
			<td height="35" style="height:35px;">roller rotors mixer</td>
			<td>Plasti-Corder PL2000</td>
			<td style="width:195px;">Brabender GmbH &#38; Co. KG, Germany</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">3D printer</td>
			<td>model Ceram</td>
			<td>HAGE, Austria</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">cutting mill</td>
			<td>SM200</td>
			<td>Retsch Gmbh&#160; Germany</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="35">
			<td height="35" style="height:35px;">corotating extruder</td>
			<td>ZSE 18 HP-48D</td>
			<td style="width:195px;">Leistrutz Extrusionstechnik GmbH, Germany</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">laser measurementdevice</td>
			<td>Diagnostic Laser 2010</td>
			<td>SIKORA AG, Germany</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="35">
			<td height="35" style="height:35px;">capillary rheometer</td>
			<td>Rheograph 2002</td>
			<td style="width:195px;">G&#246;ttfert Werkstoff-Pr&#252;fmaschinen GmbH, Germany</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">single screw extruder</td>
			<td>FT-E20T-MP-IS</td>
			<td>Dr. Collin GmbH, Germany</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="34">
			<td height="34" style="height:34px;">tungsten furnace</td>
			<td style="width:188px;">Hochtemperatur-Wolframofen WOHV 250/300-1900V</td>
			<td>MUT Advanced Heating GmbH</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="37">
			<td height="37" style="height:37px;">debinding furnace</td>
			<td style="width:188px;">Retorten-Entbinderungsofen RRO 280 / 300-900V</td>
			<td>MUT Advanced Heating GmbH</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="33">
			<td height="33" style="height:33px;">attrition mill</td>
			<td>PE 1.4</td>
			<td style="width:195px;">Erich NETZSCH GmbH &#38; Co. Holding KG, Germany</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">PBM (planetary ball mill)</td>
			<td>PM 400</td>
			<td>Retsch Gmbh, Germany</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fused filament fabrication (fff) of metal-ceramic components

Teknisk keramikk er mye brukt for industri og forskning programmer og forbruksvarer. I dag er øker etterspørselen etter komplekse geometrier med ulike tilpasningsalternativer og gunstige produksjonsmetoder kontinuerlig. Med smeltet filament fabrikasjon (FFF) er det mulig å produsere store og komplekse komponenter raskt med høy materiell effektivitet. FFF, er en kontinuerlig termoplastisk filament smeltet i en oppvarmet dyse og deponert nedenfor. Datastyrt hodet flyttes for å bygge opp ønsket fasong lagvis. Undersøkelser om utskrift av metaller eller keramikk øker mer og mer i forskning og industri. Denne studien fokuserer på additiv produksjon (AM) med en multi-materiale tilnærming kombinere et metall (rustfritt stål) med en teknisk keramisk (zirconia: ZrO2). Kombinerer disse materialene tilbyr et bredt spekter av programmer på grunn av deres forskjellige elektriske og mekaniske egenskaper. Papiret viser hovedpunktene i utarbeidelsen av materialet og råstoff, enheten utvikling og utskrift av disse kompositter.

Best passer resultater for rustfritt stål sintring atferd ble innhentet med en slitasje fresing 180 minutter og en planetarisk ballen mill (PBM) fresing på 240 minutter. Figur 5 viser en SEM-bilde av ubehandlet pulver (venstre), deformert partikler etter slitasje fresing (midten) og hakket partikler etter PBM fresing trinn (høyre).
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig5.jpg"> Figur 5 : Ubehandlet rustfritt stål < 38 µm (D90) (til venstre), rustfritt stål pulver etter slitasje fresing (midten) og rustfritt stål pulver etter PBM fresing (høyre) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig5large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Sintring virkemåten av første og valset stål pulver sammenlignes med sintring atferd av zirconia pulver i figur 6, alle målt med et optisk dilatometer.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig6.jpg"> Figur 6 : Dilatometric kurver zirconia pulver (TZ-3Y-SE) og rustfritt stål pulver (17-4PH) i den opprinnelige tilstanden og etter en digitale fresing behandling av rustfritt stål pulver. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig6large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Forbedring av råstoff mekaniske egenskaper i høy skjær sammensatte trinnet ble preget for zirconia råstoff. Råstoff produsert i ett sammensatte trinn til 75 min i en berg rotorer blandebatteri (RM) ble sammenlignet med den produsert av metoden beskrevet i protokollen. Filamenter var ekstrudert en høytrykk kapillært rheometer med en dør av 1.75 mm diameter, en stempelet hastighet på 1 mm/s og en temperatur på 190 ° C. Filamenter ble samlet med et transportbånd og testet med en universell strekk prøvingen apparat. Minst 5 gjentakelser ble utført per materiale. Figur 7 viser en sammenligning av både materiale om den ultimate strekkfasthet (UTS) og forlengelse på UTS Sekant modulus.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig7.jpg"> Figur 7 : Påvirkning av sammensatte metoden i mekaniske egenskaper av zirconia råstoff. Råstoff ble forverret i en intern roller mikser (RM) eller i kombinasjon med en co roterende twin skrue trinn (TSE). Styrke, fleksibilitet og stivhet av filamenter produsert med en kapillært rheometer var bestemt bruker middelverdien og korrespondent standardavviket for den ultimate strekkfasthet (UTS), forlengelse UTS og Sekant modulus, henholdsvis. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig7large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
I Figur 8diameter verdiene fikk under produksjonen av filamenter laget av zirconia (venstre) og rustfritt stål (høyre) feedstocks presenteres. Diameteren på den ekstrudert filament ble spilt inn i løpet av produksjonsprosessen via én-skruen ekstrudering. For zirconia filamenter, kan en god kontroll av dimensjoner oppnås med en gjennomsnittlig diameter på 1.75 mm og et standardavvik 0.02 mm. For filamenter inneholder endrede rustfritt stål pulver, ble en høyere variabilitet av gjennomsnittlig filament diameter observert. En mulig årsak til dette kan være en ikke-homogen partikkel distribusjon i råstoff fra blodplater-lignende form av metallisk partikler (figur 5). I dette tilfellet et høyere antall målepunktene ble funnet utenfor ønsket rekke 1.75 mm ± 0.05 mm og gjennomsnittlig diameter verdien var 1,74 mm med en standardvariasjon 0,03 mm. For begge typer filamenter var ovality verdiene betydelig mindre enn grensen på 0,1 mm.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig8.jpg"> Figur 8 : Histogrammer av filament diameter for de studerte materialene. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig8large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Figur 9 viser egnet metall og zirconia filamenter å produsere grønne sandwich strukturer med komposisjon stål-zirconia-stål (venstre) og zirconia-stål-zirconia (høyre).
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig9.jpg"> Figur 9 : Grønne stål-zirconia-stål (venstre) og zirconia-stål-zirconia komponenter (høyre) additively produsert av FFF. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig9large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
På grunn av lignende dokumentordner systemet av både materialer er det mulig å fusjonere bestemte lag til en monolittisk sammensatt del. En større rundt formet del med skarpe overganger er vist i Figur 10.
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig10.jpg"> Figur 10 : Struktur med skarpe overganger mellom Zirconia og rustfritt stål. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig10large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Figur 11 viser andre grønne enkelt - og multi - anti-Material komponenter ble ytterligere behandlet. Figur 12 viser en ren zirconia eksempel til venstre, midten viser et eksempel på ren rustfritt stål, og endelig en sintered og godt sluttet stål keramisk kompositt er avbildet til høyre.
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig11.jpg"> Figur 11 : Grønn testprøvene produsert av FFF; topp: zirconia-stål-kompositter rustfritt stål øverst, midten: rustfritt stål, bunnen: zirconia. Rutenett for 5 mm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig11large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig12.jpg"> Figur 12 : Sintered zirconia utvalg (venstre), sintered rustfrie utvalg (midten), og sintret zirconia-rustfritt stål-kompositt (høyre). Alle skalaer i mm <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig12large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Figur 13vises en typisk struktur av FFF-komponenter med crotches (eller sub perimeter) mellom to avsatt filamenter, som resulterte fra en vanlig slicing (verktøyet bane) og kontinuerlig måten materiale program.
<img alt="Figure 13" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig13.jpg"> Figur 13 : Typisk struktur av FFF-komponenter fra slicing og kontinuerlig materiale avsetning. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig13large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Ved å heve multiplikatoren ekstrudering i kutting programvaren som fører til en høyere volum deponering, kan sub omkretsen være redusert samt ved tilpasning verktøyet stier. Likevel, på grunn av det høye innholdet av partikler i filamenter er det tydelig at deponering problemet er forskjellig fra vanlig utskrift av termoplast. Derfor er programvare endringer lukke slike defekter ønskelig.
Etter løsemiddel debinding, termisk debinding og påfølgende sintring, alle forskjellige prøvene viste ingen betydelig deformasjon eller oppblåsthet. Sintered rene zirconia og rustfritt stål FFF prøver har god geometriske stabilitet både med og uten kompresjons belastning og de spenne ikke. Det totale masse tapet var 14,8-14,9%, indikerer fullstendig debinding.
Metal keramisk prøvene viste en god makroskopisk vedheft av begge materialene. Masse tapet etter sintring av kompositter ble funnet for å være 14,1-14,4%, noe som indikerer også en full debinding. Ytterligere analyse og prosess justeringer vil følge. Elektronmikroskop karakterisering av kompositter er ment å gi innsikt i kvaliteten av sammensatt. Ønsket dannelsen av sammensatt har skjedd er som vist i figur 14.
<img alt="Figure 14" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig14.jpg"> Figur 14 : SEM bilde av mikrostruktur i metall keramisk grensesnittet viser materialet felles. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig14large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Resultatene viser at en lovende tilnærming til å produsere metall-keramiske kompositter ved hjelp av FFF genererer elektrisk ledende og elektriske skille egenskapene til en komponent. Videre blir gjennomføringen av keramiske deler i metallisk miljøer mulig fint materiale bånd og mulighet for av rustfritt stål. Innenfor EU ble prosjekt oppvarming enheter produsert av FFF inneholder en elektrisk ledende bane laget av rustfritt stål i et ikke-ledende ZrO2 -matrise. Figur 15 , viser sintered prøvene. Disse multi-materiale komponentene må analyseres og testet i fremtiden.
<img alt="Figure 15" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig15.jpg"> Figur 15 : Sintret varmeelementer laget av zirconia og rustfritt stål <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig15large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Figur 16 Figur 17 Vis nytt skrivehode med to FFF-utskrift hoder og to T3DP-utskrift hoder som CAD-modell (Figur 16) samt implementert i FFF enheten (Figur 17). En utfordring er å kontrollere av utgang for begge systemer. For mikro dispensing enheter, er produksjon kontrollert av hyppigheten av en piezo-drevet stempel i stedet for stepper motors hastigheten for belte-stasjoner innenfor FFF-utskrift hodene. Samspillet mellom begge enhetene må testes i fremtiden.
<img alt="Figure 16" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig16.jpg"> Figur 16 : CAD-modellen av nytt skrivehode med to FFF-utskrift hoder og to T3DP-utskrift hoder. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig16large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 17" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57693/57693fig17.jpg"> Figur 17 : Bilde av nytt skrivehode med to FFF-utskrift hoder og en T3DP-utskrift leder (til venstre). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57693/57693fig17large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Fused Filament Fabrication FFF of Metal-Ceramic Components at JoVE.com

Fused Filament Fabrication FFF of Metal-Ceramic Components

Denne studien viser multi-materiale additiv produksjon (er) bruker smeltet filament fabrikasjon (FFF) av rustfritt stål og zirconia.

Smeltet Filament fabrikasjon (FFF) av metall keramisk komponenter

Technical ceramics are widely used for industrial and research applications, as well as for consumer goods. Today, the demand for complex geometries with ...

Målet var å produsere en langbølge infrarød varmeapparat på en additiv måte. Denne delen viser det resulterende sintret, to komponentvarmeelementet, laget av isolerende zirkonia, og elektrisk ledende rustfritt stål laget av FFF. Ved å koble til en strømforsyning varmes metallmeanderen opp.Denne studien fokuserer på IT-produksjon med en monteringsmateriale tilnærming til å kombinere et metall med et teknisk serum. Kombinere disse forskjellige materialene tilbyr et bredt utvalg av applikasjoner på grunn av sine ulike elektriske og mekaniske egenskaper. Denne kombinasjonen kan bidra til å svare på viktige spørsmål innen medisinske, bil- og luftfartsfelt.For dette formålet ble sikringsfiltrering valgt. Hovedårsaken var muligheten til å behandle forskjellige pulver uavhengig av deres optiske egenskaper. Videre er den termiske etterbehandlingen lik veletablerte teknikker som pulverinjeksjonsstøping, som et standardutstyr brukes til.Sikringsfiltrering blir økonomisk på grunn av den høye materialeffektiviteten og resirkulerbarheten til materialene. Til slutt er denne teknikken enkel å oppskalere for større deler siden prosessen er avhengig av et bevegelig, utskriftshode på akse. Før du begynner prosedyren, velg et passende pulverpar for multi-material tilnærming.For den keramiske karakteren, velg tetragonal yttria stabilisert zirkonia, på grunn av koeffisienten av termisk ekspansjon og sintring temperaturen kan sammenlignes med spesielle rustfritt stål samt høy seighet og flexural styrke av dette keramiske materialet. For den spesifikke metallkvaliteten, bruk rustfritt stålpulver som ledende og duktilt metallisk materiale på grunn av sin sammenlignbare koeffisient av termisk ekspansjon, og et lignende utvalg av sintring temperaturer til de av zirkonia under en beskyttende hydrogen atmosfære og en spesiell freseprosedyre. For å oppnå en stressfri co-sintering, bruk attrisjonsfresing i 180 minutter til de sfæriske partiklene i rustfritt stål for å omforme partiklene til tynne og sprø flak.Deretter utfører du planetkule fresing på de sprø flakene i 240 minutter for å bryte flakene i svært fine kornede partikler med redusert sideforhold, men en økt sintringsevne. Forbedet råstoffet i en rullerotorer mikser. Derfor må pulveret blandes med et flerkomponentbindemiddelsystem som får råstoffet med en solid belastning på 47 volumprosent.Etter pre-compounding må det kalde, faste materialet granuleres i en skjæremølle. Sammensatt materialet ved høye skjær priser for å forbedre spredningen, for eksempel i en samtidig roterende, twin-skrue ekstruder, som bildet viser. Samle materialet med et transportbånd og kjøle det ned til romtemperatur.I enden av transportbåndet blir de to runde formede trådene pelletisert. Ekstruderingslinjen som vises på bildet, brukes til å produsere filamentet. I den enkle skrue ekstruderen smeltes materialet og filamentet ekstruderes gjennom en dyse med en diameter på minst 1,75 millimeter.Deretter samles en filament med et PTFE-transportbånd. For spolematerialet plasseres en enhet på enden av transportbåndet for automatisk spole. Mål og kontroller dimensjonene på filamentet mellom trekk- og spoleenheten.Filamenter med et diameterområde på 1,70 til 1,80 millimeter og ovalitet mindre enn 0,10 millimeter, er nødvendig for FFF. For en bestemt ekstruderingshastighet, regulerer du transportbåndet gradvis og trekker hastigheter for å justere dimensjonene. Når du har opprettet CAD-filen, må G-COD genereres ved hjelp av en kutteprogramvare.I programvaren defineres dysediameteren, laghøydene, utskriftshastigheten og utskriftstemperaturen. I en forhåndsvisningsmodus kan produksjonen demonstreres lag for lag. Det keramiske materialet er blått og metallet er grønn farget.For additiv produksjon av multimaterialekomponentene, må du først korrigere eventuell feiljustering av dysene i 3D-skriverprogramvaren. For produksjon av komponentene, last skrivehodet en med zirkonia filament og printhead to med rustfritt stål filament. Ved hjelp av en skrivehodehastighet på 10 millimeter per sekund, og en utskriftssengtemperatur på 20 grader Celsius for begge filamenter.Deretter setter zirkonia printhead temperatur til 220 grader Celsius og rustfritt stål printhead temperatur til 240 grader Celsius. For produksjon av flere materialer, veksler du skrivehodet lasting for å oppnå to eller tre forskjellige lag. For debinding av komponentene, først senke prøven i 60 grader Celsius cyclohexane i åtte timer for å fjerne en løselig bindemiddel innhold av en ca 7 til 9 vektprosent.Deretter overfører prøvene til en høy temperatur wolfram ovn i en reduserende atmoshpere på 80 prosent argon og 20 prosent hydrogen, for en oppholdstid på tre timer for sintring av materialene, etterfulgt av kjøling av ovnen til romtemperatur. Mens sintring krymper delene omtrent 45 prosent i volum, og på grunn av den reduserende atmosfæren blir zirkonia til svart farge. De siste delegenskapene oppnås etter dette trinnet ved å bruke en elektrisk strømkilde.Metallbanen fungerer som en motstandsvarmer mens den isolerende zirkonia dekker den. Mikrostrukturen ble undersøkt ved hjelp av et skanneelektronmikroskop. Mikrografen til den sintret to komponentdelen viser metallmikrostrukturen i øvre, og den keramiske i den nedre delen.Mellom de to materialene oppstår blandede faser, noe som gir materialbindingen mellom metall og keramikk. De beste passende resultatene for rustfritt stål sintring atferd oppnås med en attrition fresing tid på 180 minutter, og en planetarisk ball fresing tid på 240 minutter. Her vises sammenligning av sinteringsoppførselen til det første og fresede stålpulveret med den sintende oppførselen til zirkoniapulveret.Selvfølgelig viser det freste metallpulveret en god passform i sintring atferd i forhold til zirkonia en. Sammensatt av zirkonia råstoff i en twin skrue ekstruder resulterer i en høyere ultimate strekkfasthet og forlengelse på den ultimate strekkfasthet av materialet. Men en lavere sekant modulus sammenlignet med når materialet er sammensatt i en rullerotorer mikser.For zirkoniafilamenter kan en god kontroll av dimensjonene oppnås under ekstrudering, mens for filamenter som inneholder det modifiserte pulveret i rustfritt stål, observeres en høyere variasjon av den gjennomsnittlige filamentdiameteren. I denne figuren: en ren zirkonia prøve, en ren rustfritt stål prøve, og en sintret og godt sammenføyd stål keramisk kompositt kan observeres. På grunn av lignende bindemiddelsystem av begge materialene, er det mulig å smelte bestemte lag til en monolittisk komposittdel.For eksempel vises en større, rund formet del med skarpe overganger. Etter utviklingen banet denne teknikken vei for undersøkelser på manifoldfeltet for å utvikle materialer som skal brukes til å produsere i kirurgiske, bilindustrien, eller til og med forbruksvarer. Resultatene viser en tillatt tilnærming til produksjon av metall semi kompositter ved hjelp av sikring filament fabrikasjon genererer elektrisk ledende og elektriske isolerende egenskaper i en komponent.

Research

JoVE Journal

Engineering

Fused Filament Fabrication (FFF) of Metal-Ceramic Components

Fabrication of Spatially Confined Complex Oxides

Fabrikasjon av Romlig Trange kompleks oksid

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from ...

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Fabrikasjon og testing av Microfluidic optomekaniske oscillatorer

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

Atomically Spornanostrukturen Fabrication

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process ...

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Fabrikasjon og karakterisering av Superledende resonatorer

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors ...

Experimental Procedure for Warm Spinning of Cast Aluminum Components

Eksperimentell Prosedyre for Warm Spinning av støpt aluminium komponenter

High performance, cast aluminum automotive wheels are increasingly being incrementally formed via flow forming/metal spinning at elevated temperatures to ...

Multi-material Ceramic-Based Components &#8211; Additive Manufacturing of Black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing (CerAM - T3DP)

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

Multi-materiale keramiske-baserte komponenter-additiv produksjon av svart-hvitt Zirconia komponenter av termoplastisk 3D-utskrift (CerAM - T3DP)

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

Fabrication of Superhydrophobic Metal Surfaces for Anti-Icing Applications

Fabrikasjon av Superhydrophobic metallflater for anti-glasur programmer

Several ways to produce superhydrophobic metal surfaces are presented in this work. Aluminum was chosen as the metal substrate due to its wide use in ...

Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers

Fabrikasjon av myke pneumatiske nettverk aktuatorer med skrå Chambers

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending ...

Scalable Stamp Printing and Fabrication of Hemiwicking Surfaces

Skalerbar stempeltrykk og fabrikasjon av Hemiwicking overflater

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. ...

Fabrication and Design of Wood-Based High-Performance Composites

Fabrikasjon og tegning av tre-basert høy-gjennomførelse kompositter

Delignified densified wood is a new promising and sustainable material that possesses the potential to replace synthetic materials, such as glass fiber ...