英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于挤出技术的陶瓷零件3D打印
M. Faesa,*, H. Valkenaersa , F. Vogelera , J. Vleugelsb , E. Ferrarisa a KU Leuven, Dept. of
摘要
工程陶瓷在当今工业生产中正变得越来越重要，这要归功于它具有良好的机械、热和化学性能。然而，传统的陶瓷制造技术缺乏在需要定制的复杂组件市场上竞争的能力。因此，有着几乎无限的设计自由度的增材制造为此提供了重要的贡献。本研究旨在发展一种利用紫外光固化分散体的挤出式AM技术，其中研究了不同市售树脂中含22,5%vol-55%vol ZrO2的分散体的均匀性、流变性和印刷适应性，最终成品达到了92%的烧结密度，证明了该技术的发展潜力。
1.引言
氧化物、硼化物和碳化物等工程陶瓷越来越受到工业界的关注。由于其独特的机械、热和化学性能，这些材料在不同的行业有着广泛的应用。弗里多尼亚集团预计，2017年工程陶瓷市场规模将达到155亿美元[1]。尤其是二氧化锆（ZrO2，Zirconia），这是一种很有意思的材料，由于其具有较高的韧性、隔热性、生物相容性和离子导电性，目前已被用作人体植入物、牙冠、冲模、氧传感器和多种微构件的材料[2]。
如图1所示，目前陶瓷部件的制造包括一系列离散的生产步骤。其中，粗加工和最终加工（如研磨和抛光）是成本、人力和工具使用最密集的。此外，传统的成型技术，如陶瓷注射成型（CIM）和凝胶浇铸等，由于涉及到定制模具的使用，仅在大批量生产和复杂程度较低的陶瓷组件生产中具有经济竞争力。此外，制作高度复杂的三维形状、微观特征或具有定制孔隙率的结构（如支架）等仍然被视为一个主要难点[2-4]。
增材制造（AM）为陶瓷成形技术的发展提供了新的机遇。由于其具有在设计和灵活性方面的（几乎）无限的自由，即使是在小批量和有限的上市时间内，AM也能够生产定制和复杂形状的3D表单[5]。
最近，人们研究了不同AM工艺的可行性，如立体光刻（SLA）[6]、基于光刻的陶瓷制造（LCM）[7]、冷冻成形挤压（FFE）[8]、选择性激光烧结（SLS）[9]、陶瓷熔融沉积（FDC）[10]和低温机械雕刻[11]等。这些技术大多使用复合陶瓷粘合剂材料，其中粘合剂是固化的，用于成型粗产品。后者随后进行烧制，去除粘合剂并烧结，以获得致密的陶瓷组件。
SLA采用紫外光固化树脂为粘结剂，掺入陶瓷粉的方式。树脂通过紫外线激光选择性地固化，为粗产品提供必要的稠度，然后通过烧制去除。这种方法能够让烧结后的产品密度接近98% [6，12]，然而这需要一个装满颗粒的紫外光树脂的大缸，而且这种方法成本低且材料效率低。
塑造
最终加工
烧结
脱脂
粉末
粗加工
图1-常规生产步骤
间接SLS采用氧化铝-聚丙烯（PP）复合粒子，聚丙烯相作为粘结剂，通过激光选择性地固化。最近的研究表明，热等静压后的产品密度可达93%[9]。然而，想要烧结后要提高它的密度还需要进一步的研究。此外，在颗粒表面涂覆聚丙烯相还会产生额外的步骤。
FDC采用热塑性长丝，填充陶瓷颗粒。将该长丝加热以使粘合剂具有粘性，然后通过喷嘴挤压。沉积后，粘合剂冷却并固化，捕获陶瓷颗粒，从而使粗产品具有高强度。这种技术可以使烧结密度高达97%[10]。然而，填充热塑性长丝精度要求极高。
最后，低温机械雕刻是使用设备挤出含水的低有机粘合剂分散液来生产，这种原料含有高达60%体积的陶瓷颗粒。由于陶瓷颗粒含量高，当粘合剂蒸发量最小时，分散体会变为膨胀体。研究表明产品制造最终密度超过95%的零件是可行的[11]。然而，为了获得足够的尺寸稳定性，这种方法需要严格控制分散体的干燥条件和流变行为。另一个重要的缺点是生产有明显的楼梯套管，因为粗产品的强度一般较低[13]。
本研究特别旨在开发一种新的增材制造工艺，该工艺结合了上述技术的优点，通过经济地使用挤出工艺中的材料（如用于低温机械雕刻和FDC）与高强度的紫外线固化技术（如LCM和SLA）相结合。这是通过制备一种基于陶瓷粉末和紫外树脂的分散体来实现的。该分散体随后使用基于注射器的3D打印设备沉积，同时使用功率LED源进行固化。
2.实验设备
本节介绍了用于制备和表征分散体的材料、方法和工具并描述了3D打印的方法。
2.1材料
为了降低烧结温度，本实验选择了高纯度（gt;99,9%）的工业氧化钇稳定氧化锆（TZ-3YE，Tosoh公司，东京）纳米颗粒（D50=0.6mu;m）作为陶瓷材料，并需要测量最大粒径（Dmax=4mu;m），以确定分散体的均匀性。两种市售的紫外光固化树脂被用作粘合剂：XC11122（DSM）和UV-A 2137（Sadechaf），树脂的性能见表1。
表1-紫外光树脂的性能
|
种类 |
XC11122 |
UV-A 2137 |
|
粘度（20℃） |
260 mPa·s |
750 mPa·s |
|
密度 |
1.13 g/cm3 |
1.05 g/cm3 |
|
Etreshold |
11.15 mJ/cm2 |
1000 mJ/cm2 |
|
Tmax |
46℃ |
30℃ |
|
光谱 |
plusmn;355 nm |
320–355nm |
2.2分散体的制备
为了使分散均匀，实验使用了“溶液混合”（SM）原理，通过Turbula T2-F振动混合器将氧化锆颗粒分散到紫外线树脂中长达24小时，然后将混合物与氧化锆混合球（直径=10 mm）和15 ml乙醇一起放入不透明容器中，后者用于降低粘度，从而使形成的团聚体可被混合球破碎。随后，乙醇在45℃的暗室中蒸发48小时。选择较低的温度是为了避免热聚合导致产生分散废物。同时还使用分散液的机械混合（M）制备了样品进行对比试验，以确定是否可以采用较省时的均化方法。
采用这两种混合技术制备了不同组分（Phi;）的分散体，其中分别含有22.5%、25%、27.5%、30%、45%和55%体积的氧化锆颗粒。
2.3色散特性
本次研究考察了分散体的均匀性、流变性和印刷适性。首先，必须明确区分“可存放”和“可打印”分散。为了清晰起见，当所用增材制造设备能够挤出所制备的分散液时（即粘度保持在一定阈值以下），将其视为“可沉积”。“可印刷”分散体则是均匀的制剂，具有给定的粘度，使材料在加工过程中保持其形状，但也会坍落一定量以确保轨道之间的连接（理想的流变行为）。这一方面对于在烧结后达到足够的材料密度，同时保持足够的尺寸控制至关重要。下面将更详细地描述用于特征化的工具和方法。
分散体的均匀性 由于团聚体对分散体的流变性以及烧结产品的质量具有极大的影响，所以实现均匀分散至关重要。通过在Philips XL30 FEG扫描电镜上检查不同组分的完全聚合样品（如2.2所述）进行测试。在混合过程中形成的团聚体，可通过所输送粉末的颗粒分布（大于起始粉末的Dmax的颗粒应在制备过程中形成）来与单个氧化锆颗粒区分。通过背散射电子（BSE）技术可以看到局部高浓度的氧化锆，图像中的白点表示局部高浓度的重元素，在本例中为氧化锆。为了确保在乙醇蒸发过程中不损失UV树脂，还使用能量色散X射线光谱（EDX）测试了不同分散体的组成。
分散体的流变性 使用具有锥形板几何形状的Anton Paar Physica MCR501流变仪（CP25-2）测试分散体的流变性，剪切速率从100s-1到0.1s-1不等。用这两种方法制备的45%vol和55%vol分散体由于不可沉积，所以没有进行流变学试验。
分散体的印刷适性 为了获得良好的尺寸精度和烧结后的高密度，需要在分散体聚合过程中控制熔敷轨迹的坍落度。为了评估这一点，在聚合前后，通过GOM-ATOS紧凑扫描2M（测量体积30times;35mm，精度10mu;m）获得了单个沉积轨迹的截面形状和尺寸。在沉积后1分钟和聚合后专门进行扫描。通过所获得的点云对圆柱体进行拟合，并从中提取相应的直径。然后根据一分钟后和固化后直径与沉积轨道直径（在这种情况下为0.75 mm）的变化评估形状稳定性。
沉积过程是使用基于注射器的3D打印机（见第2.4节）进行的，用该打印机打印长度30mm、直径为0.75mm的轨迹。随后用400纳米的紫外发光二极管光源（Clearstone CF2000）来进行聚合，该光源能够输出高达4W/cm2的光。光源的功率和照明时间都是可调的。通过两个全因子设计，研究了分散体的组成（Phi;）、制备方法、功率强度和聚合曝光时间对印刷适性的影响。表2列出了每个输入因子的级别。
表2-因子表
|
因子 |
编号 |
（-） |
（ ） |
数据 |
|
时间（s） |
A |
30 |
120 |
4 |
|
强度（W/cm2） |
B |
0.8 |
4 |
4 |
|
Phi;（%vol） |
C |
27.5 |
30 |
4 |
|
方法 |
D |
SM |
M |
4 |
2.4陶瓷样品的印刷
陶瓷梁采用注射器打印设备（Fab@Home V1）打印，配备0.5mm喷嘴。图2展示出了这个样本。打印设备安装了专用控制器，以使用特定的机器代码控制机器。在印刷过程中，用能量密度为4W/cm2的400nm紫外光照射元件。并通过以0.1℃/min的升温速度烧制样品直到达到600℃的温度并维持2小时来去除紫外线树脂。采用SDT QA600（TA仪器）DSC/TGA分析仪获得了所需的点火温度。
图2-使用30%体积氧化锆分散液印刷的样品
随后，在1450℃的温度下烧结样品两小时。在这个过程中，样品被放置在一个氧化铝粉末层中，该粉末层足够粗糙，可以防止样品烧结，确保尺寸稳定性。最后采用阿基米德法测定了烧结后材料的密度。
3.结果与讨论
3.1色散均匀性
如图3（a）所示，使用溶液混合技术（SM）可实现将体积浓度高达55%的氧化锆分散到XC11122紫外树脂中并保证均匀性。与此相反，采用UV-Acryl 2137树脂，利用相同的工艺制造，效果并不理想。BSE图片（图3（b））显示了局部高浓度的氧化锆，表明其缺乏均化。这是由于粒子之间没有排斥力来对抗吸引的范德瓦尔斯力[14]而产生的。因此，UV-A 2137树脂不适合于陶瓷挤出3D打印用陶瓷分散体的制备。机械搅拌技术也可以得出类似的结论。如图3（c）所示，在XC11122中30%vol氧化锆的机械混合分散中，氧化锆的团聚严重。经EDX分析证实，乙醇在蒸发过程中没有大量树脂损失。
图3-不同分散体的BSE图像
（a）XC11122中SM 55%体积氧化锆（b）UV-A 2137中SM 55%体积氧化锆（c）XC11122中M 30%体积氧化锆
3.2分散流变学
图4显示出了针对不同分散体进行的流变测量的结果。如图所示，所有样品均表现出剪切变薄行为，从而促进了沉积过程。还可以注意到，粘度随陶瓷颗粒数量的增加而增加，这与Krieger-Dougherty理论是一致的，“零剪切”时的粘度近似于0.1s-1时测得的粘度。实验点可以用交叉模型（1）拟合。
mu;eff(gamma;)= （1）
式中mu;eff为粘度，mu;0为零剪切粘度，tau;和n为拟合常数，通过方程（2）计算喷嘴挤压过程中的剪切速率。
gamma;= （2）
这里是“Q”材料的体积流量（mm3/s），“a”为喷嘴半径（mm），“gamma;”为挤压过程中的剪切速率（s-1）。考虑到喷嘴的移动速度为5mm/s，喷嘴直径和层厚为0.75mm，打
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[245715]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
您可能感兴趣的文章
- 间苯二酚-甲醛/二氧化硅复合气凝胶的简便合成及其向单片碳/二氧化硅和碳/ 碳化硅复合气凝胶的转变外文翻译资料
- 层状过渡金属二卤代烷TiS, 通过有机插层制备柔性n型热电材料外文翻译资料
- 新旧羊皮纸和皮革的动态力学分析:与DSC和XRD的相关性外文翻译资料
- 关于建筑废弃物最小化的经济可行性的收益成本分析:马拉西 亚为例外文翻译资料
- 陶瓷电容器简介外文翻译资料
- 高吸水性树脂（SAP）对周围水泥浆体的影响外文翻译资料
- 在SiO2-Al2O3-CaO-MgO-K2O-Na2O-ZnO体系中玻璃陶瓷釉的制备外文翻译资料
- 化学气相沉积法制备外延薄膜及其用于石墨烯生长的研究外文翻译资料
- 超胶凝水泥性能研究外文翻译资料
- 泡沫玻璃的力学性能、热学性能和电学性能外文翻译资料
