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《Additive Manufacturing》:材料挤出增材制造氧化锆零件采用粉末注射成型原料组合物

《Additive Manufacturing》:材料挤出增材制造氧化锆零件采用粉末注射成型原料组合物

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2024-01-13 14:24
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【概要描述】报道了研究商用CIM粘结剂在氧化锆零件的FFF打印中的应用。研究选择了四种不同的粘结剂组合物,并将它们与市售氧化锆粉末混合,制备出陶瓷原料。研究通过对混合、挤出和打印过程中获得的数据进行比较,评估了这些原料的性能。为了更好地比较,还将这些原料的流变性能和打印行为与商业氧化锆3D打印进行了对比。

《Additive Manufacturing》:材料挤出增材制造氧化锆零件采用粉末注射成型原料组合物

【概要描述】报道了研究商用CIM粘结剂在氧化锆零件的FFF打印中的应用。研究选择了四种不同的粘结剂组合物,并将它们与市售氧化锆粉末混合,制备出陶瓷原料。研究通过对混合、挤出和打印过程中获得的数据进行比较,评估了这些原料的性能。为了更好地比较,还将这些原料的流变性能和打印行为与商业氧化锆3D打印进行了对比。

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2022年6月15日,Empa-瑞士联邦材料科学与技术实验室和科布伦茨大学的研究人员在《Additive Manufacturing》上发表题为Material extrusion additive manufacturing of zirconia parts using powder injection molding feedstock compositions的研究论文,报道了研究商用CIM粘结剂在氧化锆零件的FFF打印中的应用。研究选择了四种不同的粘结剂组合物,并将它们与市售氧化锆粉末混合,制备出陶瓷原料。研究通过对混合、挤出和打印过程中获得的数据进行比较,评估了这些原料的性能。为了更好地比较,还将这些原料的流变性能和打印行为与商业氧化锆3D打印进行了对比。

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422003591

 

 

 研究简介 

 

本研究的目的是评估粉末注射成型(PIM)粘结剂组合物的材料挤出(MEX)增材制造氧化锆零件。研究选择了四种PIM粘结剂组合,并将其与45vol%的氧化钇稳定氧化锆粉混合。由于陶瓷原料的脆性特点,采用了螺旋球团打印头来制造致密的氧化锆结构。

为了比较3D打印的性能,研究还使用了一种市售的氧化锆长丝。然而,由于加工过程中的相分离、打印性能差或溶剂脱脂过程中的分层等问题,PIM粘结剂组合物的应用受到了限制。只有一种基于PIM的原料组合物可以成功地进行打印、分离和烧结。研究还采用环对环装置研究了颗粒和长丝印刷圆盘烧结后的双轴弯曲强度。作为基准,冷等静压(CIP)陶瓷盘使用了商业准备的氧化锆粉。实验结果显示,不论制造工艺如何,所有样品的威布尔模量都很低。

 

 

 

图1 用于(a)长丝和颗粒打印磁盘的部分脱脂和(b)打印和压制磁盘的热脱脂和烧结的加热型材摘要。

 

 

 

图2 DSC-TG分析高达300℃的(a)embedded mold CC,(b)embedded mold M,(C)embedded K83G和(d)embedded K84G粘结剂,合成空气流速为70ml/min。

 

 

 

图3 平均平衡混合扭矩和挤出压力记录在复合和制备0.5毫米氧化锆原料股为后期造粒步骤,在140℃的恒定温度。

 

 

 

图4 使用(a)Minilab微复合机和(b)旋转粘度计在140℃下测量的MEX-AM原料的表观流动曲线。

 

 

 

图5 EmCC-P原料颗粒打印过程中进料速率和喷嘴温度对挤出产量的影响。

 

 

 

图6 a)不同打印天数的挤出输出变化(绿条)和计算“新”等效挤压倍率(蓝条),以实现致密的打印结构,b)“第一天”挤压倍率为6.1的打印磁盘截面。

 

 

 

图7 (a)溶剂脱脂和部分脱脂以及热脱脂和烧结加工步骤后的失重;(b)CIP和3D打印样品烧结后的收缩率和密度。

 

 

 

图8 (a)法布氏氧化锆细丝和(b)embedded CC基氧化锆原料在加热速率为5K/min,动态合成空气流量为70ml/min条件下溶剂脱附处理步骤前后的DSC-TG分析。

 

 

 

图9 基于embedded mould CC粘结剂成分,(a)厚度为1.5mm的CIP-disks,(b)厚度为1.8mm的CIP-disks,(c)用fabu长丝打印的disks和(d)用一种原料打印的disks,用90%置信区间线(红色点线)绘制了环对环强度分析的Weibull图。其中N、σ、m、Cu和Cl分别代表样本数、特征强度、威布尔模量、置信区间上限和置信区间下限。

 

 

 

图10 扫描电镜图片显示(a)fabu-f和(b)EmCC-P样品在环形测量后的断口表面具有最低的双轴强度。

 

 

 研究结论 

 

实验结果显示,使用粉末注射成型商业粘结剂组合物可以制备具有45vol%陶瓷粉末固含量的原料,用于氧化锆样品的MEX增材制造。通过比较使用商用Fabru氧化锆丝打印的圆盘和使用即压氧化锆粉末的冷等静压圆盘,发现商业CIM粘结剂组合物可以用于制造MEX-AM陶瓷原料。然而,与传统形状的陶瓷相比,应预期机械强度更低。通过调整CIM粘结剂组合物以在打印过程中实现更好的融合,可以避免一些影响。

 

 

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