基于挤出技术的陶瓷零件3D打印外文翻译资料

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

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D_max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

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

您可能感兴趣的文章

• 纤维截面单元预应力空心混凝土(PHC)桩抗震性能研究的数值模型外文翻译资料
• 预拌混凝土质量评估中的实验室间比较试验外文翻译资料
• 矿渣水泥预拌混凝土性能研究外文翻译资料
• 低水泥含量矿渣桩的特性外文翻译资料
• 将混凝土废浆作为补充水泥材料的回收方法:选定元素的表征、应用和浸出外文翻译资料
• 预应力混凝土结构中的尺度效应：避免脆性破坏的最大配筋率外文翻译资料
• 利用再生粗骨料和机制砂增强混凝土性能的技术外文翻译资料
• 丁苯橡胶胶乳改性再生骨料透水混凝土研究外文翻译资料
• 沥青混凝土混合料永久变形预测的综合研究外文翻译资料
• 矿物掺合料对低质量再生骨料混凝土的影响外文翻译资料