Name: negative additive manufacturing of complex shaped boron carbides
Uploaded: 2018-09-18T14:45:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Negative Additive Manufacturing of Complex Shaped Boron Carbides at JoVE.com

Dette arbejde blev udført i regi af det amerikanske Department of Energy af Lawrence Livermore National Laboratory under kontrakt DE-AC52-07NA27344. IM frigive LLNL-JRNL-750634.

Forsigtig: Venligst rådføre sig med sikkerhedsdatablade (SDS) af alle materialer, og bære passende beskyttelsesudstyr (PPE), når du håndterer materialer før støbning og hærdning. Resorcinol og polyethylen imine er kendt for at være giftige. Formaldehyd er giftige og kræftfremkaldende20. Forberedelse af keramiske suspensioner bør ske i kemiske fume emhætter eller andre ordentligt ventileret arbejdsmiljøer.
1. negative tilsætningsstof fremstillingsindustrien</...

<ol>
	<li>An, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prediction+of+superstrong+&#964;+-boron+carbide+phase+from+quantum+mechanics.">Prediction of superstrong &#964; -boron carbide phase from quantum mechanics.</a> Physical Review B. 95 (10), 100101 (2017).</li><li>Th&#233;venot, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Boron+carbide+-+A+comprehensive+review.">Boron carbide - A comprehensive review.</a> Journal of the European Ceramic Society. 6, 205-225 (1990).</li><li>Lee, H., Speyer, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pressureless+sintering+of+boron+carbide.">Pressureless sintering of boron carbide.</a> Journal of the American Ceramic Society. 86, 1468-1473 (2003).</li><li>Deng, J. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Erosion+wear+of+boron+carbide+ceramic+nozzles+by+abrasive+air-jets.">Erosion wear of boron carbide ceramic nozzles by abrasive air-jets.</a> Materials Science and Engineering: A. 408, 227-233 (2005).</li><li>Schwetz, K. A., Grellner, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+influence+of+carbon+on+the+microstructure+and+mechanical+properties+of+sintered+boron-carbide.">The influence of carbon on the microstructure and mechanical properties of sintered boron-carbide.</a> Journal of Less-Common Metals. 82, 37-47 (1981).</li><li>Schwetz, K. A., Vogt, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Process+for+the+production+of+dense+sintered+shaped+articles+of+polycrystalline+boron+carbide+by+pressureless+sintering.">Process for the production of dense sintered shaped articles of polycrystalline boron carbide by pressureless sintering.</a> US. , (1980).</li><li>Suzuki, H., Hase, T., Maruyama, T. <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+carbon+on+sintering+of+boron+carbide.">Effect of carbon on sintering of boron carbide.</a> Journal of the Ceramic Association, Japan. 87, 430-433 (1979).</li><li>Lu, R., 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=Complex+shaped+boron+carbides+from+negative+additive+manufacturing.">Complex shaped boron carbides from negative additive manufacturing.</a> Materials &amp; Design. 148, 8-16 (2018).</li><li>Omatete, O. O., Janney, M. A., Nunn, S. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gelcasting:+From+laboratory+development+toward+industrial+production.">Gelcasting: From laboratory development toward industrial production.</a> Journal of the European Ceramic Society. 17, 407-413 (1997).</li><li>Yang, J., Yu, J., Huang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+developments+in+gelcasting+of+ceramics.">Recent developments in gelcasting of ceramics.</a> Journal of the European Ceramic Society. 31, 2569-2591 (2011).</li><li>Gilissen, R., Erauw, J. P., Smolders, A., Vanswijgenhoven, E., Luyten, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gelcasting+a+near+net+shape+technique.">Gelcasting a near net shape technique.</a> Materials &amp; Design. 21, 251-257 (2000).</li><li>Travitzky, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Additive+manufacturing+of+ceramic-based+materials.">Additive manufacturing of ceramic-based materials.</a> Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).</li><li>Zocca, A., Colombo, P., Gomes, C. M., Gunster, 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, 1983-2001 (2015).</li><li>Deckers, J., Vleugels, J., Kruthl, J. P. <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:+A+Review.">Additive Manufacturing of Ceramics: A Review.</a> Journal of Ceramic Science and Technology. 5, 245-260 (2014).</li><li>Costakis, W. J., Rueschhoff, L. M., Diaz-Cano, A. I., Youngblood, J. P., Trice, R. W. <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+boron+carbide+via+continuous+filament+direct+ink+writing+of+aqueous+ceramic+suspensions.">Additive manufacturing of boron carbide via continuous filament direct ink writing of aqueous ceramic suspensions.</a> Journal of the European Ceramic Society. 36, 3249-3256 (2016).</li><li>Colombo, P., Schmidt, J., Franchin, G., Zocca, A., Gunster, 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+techniques+for+fabricating+complex+ceramic+components+from+preceramic+polymers.">Additive manufacturing techniques for fabricating complex ceramic components from preceramic polymers.</a> American Ceramic Society Bulletin. 96, 16-23 (2017).</li><li>Olsson, A., Hellsing, M. S., Rennie, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+possibilities+using+additive+manufacturing+with+materials+that+are+difficult+to+process+and+with+complex+structures.">New possibilities using additive manufacturing with materials that are difficult to process and with complex structures.</a> Physica Scripta. 92, 053002 (2017).</li><li>Dhara, S., Kamboj, R. K., Pradhan, M., Bhargava, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shape+forming+of+ceramics+via+gelcasting+of+aqueous+particulate+slurries.">Shape forming of ceramics via gelcasting of aqueous particulate slurries.</a> Bulletin of Materials Science. 25, 565-568 (2002).</li><li>Lewicki, J. P., Fox, C. A., Worsley, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+synthesis+and+structure+of+resorcinol-formaldehyde+polymeric+networks+-+Precursors+to+3D-carbon+macroassemblies.">On the synthesis and structure of resorcinol-formaldehyde polymeric networks - Precursors to 3D-carbon macroassemblies.</a> Polymer. 69, 45-51 (2015).</li><li>Swenberg, J. A., 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=Formaldehyde+Carcinogenicity+Research:+30+Years+and+Counting+for+Mode+of+Action,+Epidemiology,+and+Cancer+Risk+Assessment.">Formaldehyde Carcinogenicity Research: 30 Years and Counting for Mode of Action, Epidemiology, and Cancer Risk Assessment.</a> Toxicologic Pathology. 41, 181-189 (2013).</li><li>Kuo, C. C., Chen, C. M., Chang, S. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polishing+mechanism+for+ABS+parts+fabricated+by+additive+manufacturing.">Polishing mechanism for ABS parts fabricated by additive manufacturing.</a> The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 91, 1473-1479 (2017).</li><li>Kires, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Archimedes'+principle+in+action.">Archimedes' principle in action.</a> Physics Education. 42, 484-487 (2007).</li><li>Zheng, X., 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=Design+and+optimization+of+a+light-emitting+diode+projection+micro-stereolithography+three-dimensional+manufacturing+system.">Design and optimization of a light-emitting diode projection micro-stereolithography three-dimensional manufacturing system.</a> Review of Scientific Instruments. 83, 125001 (2012).</li><li>Franchin, G., Colombo, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Porous+Geopolymer+Components+through+Inverse+Replica+of+3D+Printed+Sacrificial+Templates.">Porous Geopolymer Components through Inverse Replica of 3D Printed Sacrificial Templates.</a> Journal of Ceramic Science and Technology. 6, 105-111 (2015).</li></ol>

Metoden for negative tilsætningsstof fremstillingsindustrien beskrevet i protokollen giver mulighed for komplekse formet borcarbid dele skal produceres på næsten fuldstændig tæthed efter sintring ved en optimal temperatur på 2290 ° C. De første adskillige skridt i forbindelse med forberedelse og støbning er de mest kritiske for at skabe en høj kvalitet støbt med minimal defekter. Hvis viskositet af suspensionen er for høj, vil dårlig blanding forekomme. Porøsiteten af den sintrede del påvirkes også, da ø...

Borcarbid (B4C), med en Vickers hårdhed på ca 38 GPa, er kendt som den tredje sværeste kommercielt tilgængelige materiale bag diamant (~ 115 GPa) og kubisk bornitrid (~ 48 GPa). Denne særlige egenskab, sammen med en lav befolkningstæthed (2,52 g/cm3), gør det attraktivt for forsvar applikationer såsom armors1. B4C har også et højt smeltepunkt, overlegen slidstyrke og høje neutronindfangning tværs afsnit2,3,4. Udnyttelse af disse gunstige mekaniske egenskaber kræver dog typisk B4C at være sintret til en høj tæthed. Varme presserende er en konventionel metode til sintring B4C til fuld fortætning. Denne teknik er ofte begrænset til simpel geometrier med begrænset krumning og ensartet forholdsvis tykkelse. Dyrt og arbejdskrævende bearbejdning med polykrystallinske diamant værktøjer eller laser opskæring er forpligtet til at indføre finere eller mere komplekse funktioner.
Alternativt, kolloid danner teknikker med pres-mindre sintring kan producere nær fuld tæthed dele, som kræver minimal til nogen bearbejdning. På grund af manglende eksterne pres under konsolidering tilføjes sintring aids normalt til det keramiske medie til at øge effektiviteten af pressureless sintring. Carbon er almindeligt anvendt som en sintering støtte til B4C5,6,7. Forskellige CO2-kilder, såsom nanopartikel pulvere eller forkullede organics fra pyrolyse, kan anvendes. Homogen fordeling af kulstof sintring støtte langs korn grænser er en vigtig faktor for at opnå ensartet sintring af B4C. Derfor er CO2 koncentration og B4C partikelstørrelse er også vigtige og indbyrdes forbundne faktorer til sintring dele til høj massefylde8.
En af de mest lovende kolloid danner teknikker for at opnå komplekse formede keramiske dele er gelcasting. Denne teknik indebærer støbning en keramisk suspension med en økologisk monomer i en støbeform, der polymeriserer i stedet for at fungere som en gel9,10,11. Gelen fungerer som et bindemiddel til at danne en grøn krop i form af skimmel, der er stærk nok til at blive behandlet uden brud i efterfølgende behandlingstrin. Tidligere kan umuligt 3D skimmel geometrier nu produceres gennem lavpris-polymer-baserede additive manufacturing (AM) teknikker som stereolithography (SLA) og sammenvokset deposition modellering (FDM)12. De seneste tilgængelighed af 3D-printere har åbnet nye muligheder for at designe keramik med yderst komplekse geometrier.
Negative additive manufacturing er en teknik, der kombinerer gelcasting med hellige 3D-trykt forme. Den keramiske del kompleksitet er direkte relateret til kompleksiteten af skimmel design. Skimmel design kan nu være utroligt sofistikeret med fremkomsten af høj opløsning plast 3D printere. 3D scanning værktøjer kan eksempelvis bruges til at fange en persons konturer og indarbejdes i forme. Ved hjælp af negative AM, kan letvægts keramiske armors skræddersyet til enkeltperson kropsstørrelse og form oprettes. Sådan design tilpasninger kan give lettere vægt armors med øget mobilitet for brugere.
Andre fælles keramiske AM teknikker som direkte blæk skrive (DIW), selektiv laser sintring (SLS), og binder jetting (BJ) er også effektive til at producere komplekse formede keramiske dele. Men de fleste af disse teknikker er kun nyttig for at producere fine porøse strukturer og er ikke effektive, når skalering op til store dele, såsom rustning programmer13,14,15,16, 17. desuden de fleste af disse teknikker er ikke muligt for høj volumen produktion på grund af høje udgifter. Derfor er negative AM en foretrukne og relativt billig rute til industriel produktion af store dele.
B4C suspensioner anvendes til gelcasting skal være lavt i viskositet og indeholde en geldannende agent og sintring støtte. Resorcinol og formaldehyd er udvalgt for deres evne til at gennemgå polykondensation reaktioner til at danne en resorcinol-formaldehyd (RF) netværk, som hjælper med at binde B4C partikler sammen. Traditionelle hydrogels anvendes til gelcasting er begrænset til forme med hule kerner på grund af den høje indad svind erfarne under tørring proces18. Da RF er almindeligt anvendt som en aerogel, er der lidt at ingen svind, der tillader brug af mere kringlet formet forme. En anden fordel ved hjælp af RF er, at gellation satsen kan kontrolleres ved at ændre pH i suspension (figur 3). Derudover kan opslæmninger indeholdende enten resorcinol eller formaldehyd tilberedes i avanceret og opbevares særskilt, indtil de er klar til støbning. Vigtigst, kan RF gel være pyrolyzed for at efterlade 50 wt % kulstof19. Denne meget homogen fordeling af kulstof kan støtte fortætning af B4C til nær-fuld tætheder under sintring. 15 wt % af RF i forhold til borcarbid bruges i formuleringen af suspension til at give 7,5 wt % kulstof efter pyrolyse af støbt dele.
Det overordnede mål for dette arbejde er at kombinere traditionel gelcasting teknikker med billig 3D trykning kapaciteter og en unik geldannende agent at opnå nær fuld tæthed borcarbid dele med meget komplekse geometrier. Ud over keramik, kan negative AM anvendes til andre materielle felter for at oprette helt nye geometrier multi materielle systemer. Den metode beskrevet her udvider på arbejde præsenteret i Lu et al. 8 og sigter på at give en mere detaljeret protokol gengivelse disse resultater.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1045px;" width="1044">
	<tbody>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;width:215px;">Boron carbide powder 1250F</td>
			<td style="width:253px;">Tetrabor Ceramics</td>
			<td style="width:215px;">Lot 211M419</td>
			<td style="width:363px;">&#62;96% purity</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">Boron carbide powder 1500F</td>
			<td style="width:253px;">Tetrabor Ceramics</td>
			<td style="width:215px;">Lot 209M102/9</td>
			<td>&#62;96% purity</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">Boron carbide powder 3000F</td>
			<td style="width:253px;">Tetrabor Ceramics</td>
			<td>Lot 111m53/9&#160;</td>
			<td>&#62;96% purity</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">Polyethylene Imine (PEI)</td>
			<td style="width:253px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:215px;">MKBP3417V</td>
			<td>Averaged MW ~25,000 by L.S.&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">Resorcinol</td>
			<td style="width:253px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:215px;">MKBG6751V</td>
			<td>BioXtra, &#8805;99%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">Formaldehyde</td>
			<td style="width:253px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:215px;">F79-1</td>
			<td>37% by weight; Stabilized with 10-15% Methanol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">Acetic Acid</td>
			<td style="width:253px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:215px;">SKU 695092</td>
			<td>Glacial &#8805;99.7%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">Acetone</td>
			<td style="width:253px;">Sigma Aldrich</td>
			<td>SKU 179124</td>
			<td>ACS Reagent Grade &#8805;99.5%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">Water</td>
			<td style="width:253px;">LLNL In-house (Milli-Q)</td>
			<td style="width:215px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">Planetary Mixer</td>
			<td style="width:253px;">Thinky</td>
			<td style="width:215px;">AR-250</td>
			<td>Fits 150mL and 300mL Thinky containers</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:215px;">Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) plastic filament</td>
			<td style="width:253px;">eSUN</td>
			<td style="width:215px;"></td>
			<td>Natural color</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">Taz 6 (3D printer)</td>
			<td style="width:253px;">Lulzbot</td>
			<td style="width:215px;"></td>
			<td>FDM 3D printer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">4%H2/96%Ar gas</td>
			<td style="width:253px;">Air Gas</td>
			<td style="width:215px;">UHP</td>
			<td>4% Hydrogen, balanced Argon</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">Helium gas</td>
			<td style="width:253px;">Air Gas</td>
			<td style="width:215px;">UHP</td>
			<td>Helium</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">Heating oven</td>
			<td style="width:253px;">Neytech</td>
			<td style="width:215px;">Vulcan 9493308</td>
			<td>Oven for 80 &#176;C curing</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">Quartz tube furnace</td>
			<td style="width:253px;">Applied Test Systems, Inc.&#160;</td>
			<td style="width:215px;">LEA 05-000075</td>
			<td>Furnace for 1050 &#176;C carbonization</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">Graphite furnace</td>
			<td style="width:253px;">Thermal Technology LLC</td>
			<td style="width:215px;"></td>
			<td>Sintering furnace</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:215px;">Scanning Electron Microscope (SEM)</td>
			<td style="width:253px;">Jeol</td>
			<td style="width:215px;">JSM-7401F</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">pH meter</td>
			<td style="width:253px;">Thermo Scientific</td>
			<td style="width:215px;">Orion 4 Star</td>
			<td>calibrated with buffer standards</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">Rheometer</td>
			<td style="width:253px;">TA Instrument</td>
			<td style="width:215px;">AR2000ex</td>
			<td>For measurement of viscosity</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">X-ray Diffractometer (XRD)</td>
			<td style="width:253px;">Bruker</td>
			<td style="width:215px;">AX D8 Advanced</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:215px;">Analytical balance</td>
			<td style="width:253px;">Mettler Toledo</td>
			<td style="width:215px;">XS104</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Bruker EVA&#160;</td>
			<td style="width:253px;"></td>
			<td style="width:215px;"></td>
			<td>XRD Analysis Software</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

negative additive manufacturing of complex shaped boron carbides

Borcarbid (B4C) er en af de hårdeste materialer i eksistens. Denne attraktive ejendom begrænser imidlertid også sin machineability til komplekse figurer højt slid, høj hårdhed og letvægts materiale applikationer såsom armors. For at overvinde denne udfordring, er negative additive manufacturing (AM) ansat til at producere komplekse geometrier for boron metalcarbider på forskellige længdeskalaer. Negative AM indebærer først gelcasting en suspension i en 3D-trykt plast støber. Formen er derefter opløst væk, efterlader en grøn krop som en negativ kopi. Resorcinol-formaldehyd (RF) bruges som en roman geldannende agent, fordi i modsætning til traditionelle hydrogels, der er lidt at ingen svind, hvilket giver mulighed for ekstremt komplekse forme skal anvendes. Desuden, denne geldannende agent kan være pyrolyzed for at efterlade ~ 50 wt % kulstof, som er en yderst effektiv sintering støtte til B4C. på grund af denne meget homogen fordeling i situ kulstof i B4C matrix, mindre end 2% porøsitet kan opnås efter sintring. Denne protokol fremhæver detaljeret metode til at skabe nær fuldt tætte borcarbid dele med meget komplekse geometrier.

Efter den skitserede procedure (figur 1), komplekse formet borcarbid dele med kulstof (B4C/C) kan være sintret 97.6 ± 0,4% af teoretiske max tæthed med en Vicker hårdhed på 23,0 ± 1.8 GPa8. Flere mulige eksempler på sintret B4C/C dele er vist (figur 2). Disse eksempler viser, den fine stoflige egenskaber, der kan kopieres af gelcasting teknikken. Dette er en fordel for oprettel...

Watch this Scientific Journal Video about Negative Additive Manufacturing of Complex Shaped Boron Carbides at JoVE.com

Negative Additive Manufacturing of Complex Shaped Boron Carbides

Negative tilsætningsstof fremstilling af komplekse formet Boron metalcarbider

En metode kaldet negative additive manufacturing bruges til at producere nær fuldt tætte komplekse formet borcarbid dele af forskellige længdeskalaer. Denne teknik er muligt via udarbejdelsen af en roman suspension involverer resorcinol-formaldehyd som et unikt geldannende agent, der efterlader en homogen carbon sintring støtte efter pyrolyse.

Boron carbide (B4C) is one of the hardest materials in existence. However, this attractive property also limits its machineability into complex shapes for ...

Negativ additiv fremstilling, eller AM, er en omkostningseffektiv metode til at producere ultra hårde, tætte keramiske dele i komplekse former, der ikke ville have været muligt ved traditionelle støbning metoder. Brugen af en aerogel i denne teknik er unik. Det tjener både som en gelering agent, med lidt at ingen svind under støbning, og også er et godt dispergeret kulstof kilde til sintring efter pyrolyse.Gel støbning i 3D-printede forme er en alsidig teknik, der kan udvides til andre materialer. Resorcinol formaldehydgelingsmidlet er bedst egnet til kulstoflejesystemer. Til at begynde, forberede en to del suspension til at hjælpe forlænge holdbarheden af suspensioner før støbning.For at gøre dette, skabe R mix ved at opløse 0,88 gram polyethylenimin i 25,00 gram vand, ved hjælp af en planetarisk mixer. For at skabe en separat F mix, opløse 0,88 gram polyethyleneimin i 16,83 gram vand, ved hjælp af en planetarisk mixer. Nu opløse 12.60 gram resorcinol pulver i R mix.Opløsningen skal dreje fra en uklar hvid til en klar gennemsigtig opløsning efter fuldstændig opløsning af pulveret fra blanding. Også, tilføje 17.03 gram formaldehyd opløsning til f-mix, og sikre fuldstændig blanding. På dette tidspunkt tilsættes gradvist 5,25 gram borcarbidpulver i både R-blandingen og F-blandingen separat.Derefter tilsættes 6,50 gram eddikesyre til R mix og F mix, og sikre fuldstændig blanding i hver. For at forberede forme til støbning, udskrive forme ved hjælp af en sammensmeltet deposition modellering 3D-printer med acrylonitrile butadien styren, eller ABS, filamenter. Efter grundig omrøring af suspensionerne kombineres R-blandingen og F-blandingen for at opnå den endelige suspension.Før støbning, bland og anvende vakuum til den endelige suspension blandingen i ca 10 minutter, for at fjerne luftbobler uden kogning af vandet. Dette kan opnås ved hjælp af en omrøring plade på 200 til 300 RPM, med en vakuum krukke. Dette følgende trin er det mest kritiske, fordi geleringsagenten vil begynde at reagere, og forårsage suspensionens viskositet til hurtigt at stige.At være opmærksom på dette tidsfølsomme skridt er afgørende for de bedste resultater. Hæld straks afluftet suspension i 3D-printet form, og forsegle glasbeholderen. Placer formen inde i den forseglede glasbeholder for at forhindre fugttab under hærdningsprocessen.Placer den forseglede beholder med formen i en 60 til 80 grader Celsius ovn til at indlede hærdningsprocessen. Lad stemmer til at helbrede i mindst otte timer for dele, der er flere centimeter i længde skala. Efter otte timer, fjerne den forseglede beholder med formen fra ovnen, og lad den køle af til stuetemperatur.Overfør til en ny beholder, og derefter tilføje nok acetone, indtil formen er fuldt neddykket. Denne proces kan tage op til to til fire dage, afhængigt af mængden af volumen, der skal opløses væk. Minimal omrøring af acetone bad, eller opvarmning det lidt til 40 grader C, kan bidrage til at fremskynde processen.Uddrag den frie grønne krop fra acetone bad, efter ABS plast er opløst væk. Placer den grønne krop i en ovn ved 80 grader Celsius for at sikre fuldstændig tørring og fjernelse af al fugt. Efter tørring, placere hver grøn krop i en to-tommer kvarts rør foret med grafit folie.Placer kvarts rør i en ovn med strømmende gas på 250 SCCM, bestående af fire vægt procent brint gas, og 96 vægt procent argon gas, at skabe en reducerende atmosfære under pyrolyse behandling. Varm den grønne krop inde i ovnen ved fem grader Celsius i minuttet, indtil 1, 050 grader Celsius, og hold i tre timer. Sørg for, at den grønne krop kommer ud ensartet mørkere i farven, hvilket indikerer tilstedeværelsen af kulstof fra pyrolyse behandling.Nu placere de forkullede dele i en grafit ovn med vakuum fyldt strømmende helium gas til sintring. Varm ovnen 2, 290 grader Celsius op, og hold i en time for at opnå optimal fortætning af delene. Fjern efter en time.Suspensionens viskositet er optimeret til vallak ved pH 2.8 for at give den længste arbejdstid, før der forekommer betydelig gelering. Der er ca. 20 minutter til en viskositet på 1,0 pascal sekunder. Scanning elektron mikroskop billeder viser tegn på rumligt ensartet kulstof netværk, der danner på borcarbid partikler efter pyrolyse af resorcinol formaldehyd.Røntgendiffraktion af prøverne i forskellige forarbejdningsfaser bekræfter også væksten af et grafittoppe efter pyrolyse. Yderligere mikroskopi af en tværsnitsprøve afslører det endelige produkts lave porøsitet efter at være blevet sintret ved 2,280 grader Celsius. Glem ikke, at formaldehyd er kræftfremkaldende, og at arbejde med det kan være yderst farligt.Derfor er det vigtigt at bære korrekt personlige værnemidler og arbejde i et godt ventileret område ved håndtering af suspensionerne. Efter at have set denne video, forhåbentlig er du nu bekendt med den negative additiv fremstillingsproces, og kan med held gelcast boroncarbid suspensioner i komplekse formede grønne organer, og senere sinter dem til deres fulde tætheder.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Isolation and Chemical Characterization of Lipid A from Gram-negative Bacteria

Isolering og kemisk karakterisering af lipid A fra gramnegative bakterier

Lipopolysaccharide (LPS) is the major cell surface molecule of gram-negative bacteria, deposited on the outer leaflet of the outer membrane bilayer. LPS ...

Manufacturing of Three-dimensionally Microstructured Nanocomposites through Microfluidic Infiltration

Fremstilling af tredimensionelt Mikrostrukturerede Nanocomposites gennem Mikrofluid Infiltration

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite ...

Atomically Defined Templates for Epitaxial Growth of Complex Oxide Thin Films

Atomically skabeloner til epitaksial vækst af komplekse Oxide Thin Films

Atomically defined substrate surfaces are prerequisite for the epitaxial growth of complex oxide thin films. In this protocol, two approaches to obtain ...

Self-assembly of Complex Two-dimensional Shapes from Single-stranded DNA Tiles

Self-samling af komplekse Todimensionale Former fra Single DNA Fliser

Current methods in DNA nano-architecture have successfully engineered a variety of 2D and 3D structures using principles of self-assembly. In this ...

Assessment of Boron Doped Diamond Electrode Quality and Application to In Situ Modification of Local pH by Water Electrolysis

Assessment of Boron Doped Diamond Electrode Quality and Application to In Situ Modification of Local pH by Water Electrolysis

Vurdering af bordoteret Diamond Elektrode Kvalitet og Ansøgning til<em&gt; In Situ</em&gt; Ændring af lokal pH ved vandelektrolyse

Boron doped diamond (BDD) electrodes have shown considerable promise as an electrode material where many of their reported properties such as extended ...

Synthesis and Characterization of Supramolecular Colloids

Syntese og karakterisering af supramolekylære Colloids

Control over colloidal assembly is of utmost importance for the development of functional colloidal materials with tailored structural and mechanical ...

On-line Analysis of Nitrogen Containing Compounds in Complex Hydrocarbon Matrixes

On-line analyse af nitrogenholdige forbindelser i Kompleks kulbrintestof Matricer

The shift to heavy crude oils and the use of alternative fossil resources such as shale oil are a challenge for the petrochemical industry. The ...

Investigations on the Ga(III) Complex of EOB-DTPA and Its 68Ga Radiolabeled Analogue

Investigations on the GaIII Complex of EOB-DTPA and Its 68Ga Radiolabeled Analogue

Undersøgelser på Ga (III) Kompleks af EOB-DTPA og dens<sup&gt; 68</sup&gt; Ga Radiomærket Analog

We demonstrate a method for the isolation of EOB-DTPA (3,6,9-triaza-3,6,9-tris(carboxymethyl)-4-(ethoxybenzyl)-undecanedioic acid) from its Gd(III) ...

Synthesis of a Water-soluble Metal&#8211;Organic Complex Array

Synthesis of a Water-soluble MetalÃƒÆ’Ã‚Â¢ÃƒÂ¢Ã¢â‚¬Å¡Ã‚Â¬ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã…â€œOrganic Complex Array

Syntese af en Vandopløseligt Metal-Organic Complex Array

We demonstrate a method for the synthesis of a water-soluble multimetallic peptidic array containing a predetermined sequence of metal centers such as ...