Naukowcy opracowują ceramiczne materiały kompozytowe 3D i łańcuch procesów dla drukarek FDM

Stereolitografia (SLA), selektywne spiekanie laserowe (SLS), bezpośredni ceramiczny druk atramentowy i wytwarzanie stopionego filamentu (FFF), najczęstsza metoda wytłaczania, zostały wykorzystane do trójwymiarowego drukowania ceramiki. FFF jest jednak najczęściej stosowany w przypadku tworzyw termoplastycznych i kilka razy próbowano modyfikować, a nawet poprawiać właściwości tego materiału, dodając niewielkie ilości różnych proszków lub materiałów włóknistych, a nawet wypełniaczy ceramicznych. < p> Zespół naukowców z Instytutu Technologii w Karlsruhe (KIT) i Uniwersytetu we Freiburgu opublikował niedawno pracę zatytułowaną "Złożone włókna drobnych składników ceramicznych" o ich pracy nad opracowaniem nowego ceramicznego materiału kompozytowego i nowego łańcucha technologicznego dla wydajnego, opłacalnego szybkiego prototypowania ceramiki drukowanej 3D.

Streszczenie brzmi: "W odniesieniu do szybkiego prototypowania elementów ceramicznych znanych jest tylko kilka procesów (litografia stereo, spryskiwanie spoiwem). W tej pracy szczegółowo opisano nowy łańcuch procesów, pokazując, że ceramika może być drukowana w bardzo opłacalny sposób. Opracowaliśmy kompozyt ceramiczno-polimerowy jako materiał włóknisty, który można drukować na taniej drukarce z włóknem stapianym (FFF), nawet przy bardzo małych rozmiarach dysz umożliwiających bardzo małe wymiary geometryczne. Termiczna obróbka końcowa, z usuwaniem i spiekaniem, jest bardzo bliska procesowi obróbki ceramicznej (CIM). "

Można drukować obiekty 3D, które można debindować i spiekać do gęstych elementów ceramicznych za pomocą wypełnianie tworzyw termoplastycznych proszkiem ceramicznym o wysokiej zawartości ciał stałych. Naukowcy opracowali łańcuch procesów, w którym szczegółowo opisano, jak korzystać z niedrogich drukarek 3D FFF do wytwarzania małych elementów ceramicznych, stosując tlenek glinu o rozmiarach poniżej mikrona (Al2O3, TM-DAR) jako proszek ceramiczny CD3D .

" Nawet jeśli końcowe komponenty składają się z czystego materiału ceramicznego, termoplastyczny system wiążący jest tymczasowym pojazdem umożliwiającym kształtowanie i stabilizację cząstek ceramicznych ", naukowcy wyjaśniono.

Włókna zostały przygotowane za pomocą wytłaczarki z jednym ślimakiem, a próbki zostały wydrukowane na nieznacznie zmodyfikowanej drukarce 3D FFF 3D X350pro przez niemiecki RepRap.

Naukowcy wyjaśnili, "Modyfikacje dotyczą rozmiaru filamentów 3 mm zamiast 1,75 mm, a także wytłaczarki Titan o przełożeniu 3: 1."

Średnice włókien muszą mieścić się w bardzo małym zakresie tolerancji, aby osiągnąć dokładne 3Ddrukowanie wyników; drobne średnice dysz są również ważne przy drukowaniu 3D małych elementów o cechach geometrycznych mniejszych lub równych 100 μm.

Naukowcy donoszą, że włókno o "stałej zawartości 50% tlenku glinu" wykazuje dobrą jakość Zachowanie druku 3D, natomiast wydruk o zawartości woluminu 55% objętości wymaga wydrukowania z dyszami o średnicy 400 μm. Materiał o najwyższym wypełnieniu 60% obj. Należy wytłaczać ręcznie, ale lepkość jest zbyt wysoka dla drukowania 3D. Ponieważ przekładnia wytłaczarki nie może przesuwać żarnika wzdłuż, naukowcy doświadczyli szlifowania powierzchni, ale nie zgłosili zapychania się dyszy w miarę wzrostu zawartości substancji stałej.

"Opracowaliśmy bardzo wysoko wypełniony materiał włóknisty i wprowadzono kompletny łańcuch procesów do drukowania elementów ceramicznych za pośrednictwem FFF ", napisali naukowcy.

" Moment mieszania i lepkość materiałów zwiększyły się wraz ze wzrostem zawartości substancji stałych. Średnice włókien i odchylenia standardowe zmniejszały się wraz ze wzrostem zawartości substancji stałych. Materiały o zawartości części stałych 50% objętościowych są bardzo łatwe do zadrukowania przy rozmiarach dysz do 150 μm. Warstwy o grubości 80 μm i szerokościach prętów 160 μm mogą być realizowane z otwartymi strukturami demonstracyjnymi. Struktura otwarta ma gęstości spiekania 98,4% gęstości teoretycznej; testowe dyski mają tylko 97,3%, podczas gdy ceramiczne próbki formowane wtryskowo osiągają 99,7%. Prawdopodobnie podczas procesu drukowania wprowadzane są pory i wgłębienia z powodu niepełnego wypełniania ścieżki narzędzia przez programy krojenia. "

Naukowcy stwierdzili, że ponieważ ich łańcuch procesów nie wymaga narzędzi, może to być bardzo obiecująca metoda do produkcji prototypów i niewielkich ilości obiektów ceramicznych.

"Według tych wyników możliwe jest generowanie prototypów i opracowywanie projektów w prosty i opłacalny sposób" - stwierdzili naukowcy.