Druk ?elowy Abstract3D (3DGP) to nowatorska technologia produkcji, która tworzy komponenty 3D poprzez osadzanie i ?elowanie zawiesin metali warstwa po warstwie. Tutaj zawiesin? na bazie metakrylanu hydroksyetylu (HEMA) o obci??eniu sta?ym 47-56 obj.% WC-20Co utworzono bezpo?rednio przez 3DGP, a nast?pnie spiekano w piecu pró?niowym. Zawiesiny WC-20Co wykazuj? odpowiedni? p?ynno?? i rozrzedzenie przy ?cinaniu, co jest korzystne w procesie formowania 3DGP. Zbadano wp?yw parametrów przetwarzania 3DGP (takich jak ?rednica wewn?trzna druku i szybko?? wype?niania) na chropowato?? powierzchni i dok?adno?? wymiarow? wykrojów drukarskich. Zbadano wp?yw obci??enia cia?ami sta?ymi na w?a?ciwo?ci reologiczne, g?sto?? spiekania, g?sto?? spiekania i w?a?ciwo?ci mechaniczne zaczynu WC-20Co. Wyniki pokazuj?, ?e próbk? mo?na wydrukowa? o dobrym kszta?cie, z odpowiedni? dok?adno?ci? i jednolit? mikrostruktur?. Spiekane próbki charakteryzuj? si? dobrym zachowaniem kszta?tu i jednolit? mikrostruktur?. Najlepsza g?sto?? próbki, twardo?? i wytrzyma?o?? na zerwanie poprzeczne wynios?y odpowiednio 13,55 g/cm3, HRA 87,7 i 2612,8 MPa. 3DGP ma wyj?tkowe zalety w kszta?towaniu bliskiej sieci elementów WC-20Co o skomplikowanych kszta?tach. 1. Wprowadzenie W?glik spiekany WC-Co sk?ada si? z twardych cz?stek WC osadzonych w ci?g?ej osnowie Co i jest jednym z najwa?niejszych kompozytów z osnow? metaliczn?. Obecnie s? szeroko stosowane jako narz?dzia do wiercenia i ci?cia, wykrojniki, cz??ci zu?ywaj?ce si? i inne cz??ci specjalne. Ze wzgl?du na nietopliwo?? cz?stek WC, w?gliki spiekane s? zwykle wytwarzane w procesie metalurgii proszków (PM), w którym nast?puje spiekanie w fazie ciek?ej wyprasek proszkowych WC-Co. Z?o?ono?? kszta?tu produktu jest mocno ograniczona przez struktur? matrycy. Ponadto, ze wzgl?du na wysok? twardo?? i w?a?ciwo?ci wytrzyma?o?ciowe twardo?ci WC-Co, obróbka twardo?ciami WC-Co jest utrudniona. Wykorzystanie tradycyjnych metod do przygotowania elementów z w?glików spiekanych o skomplikowanych kszta?tach jest ogromnym wyzwaniem. W ostatnich latach technologia wytwarzania przyrostowego (AM) odpowiednia do wytwarzania kszta?tów zbli?onych do siatki i skomplikowanych cz??ci zosta?a opracowana i zastosowana do produkcji kilku materia?ów metalowych, takich jak: jako stal nierdzewna, tytan, stopy tytanu i stopy aluminium (SLM). Bezpo?rednie spiekanie laserowe metali (DMLS), topienie wi?zk? elektronów (EBM) itp. s? typowymi i g?ównymi technologiami. Laser Engineering Network Forming (LENS) mo?e wytwarza? skomplikowane kszta?ty i prawie ca?kowicie g?ste cz??ci. W tych procesach AM, proszek metalowy jest selektywnie nak?adany warstwami za pomoc? lasera/wi?zki elektronów warstwa po warstwie, a? do zbudowania cz??ci. Istnieje jednak niewiele badań dotycz?cych wytwarzania przyrostowego metali twardych WC-Co. Po pierwsze, w?glik spiekany WC-Co sk?ada si? z cz?stek WC i materia?u matrycy Co, a temperatury topnienia tych dwóch materia?ów s? bardzo ró?ne. Gdy proszek WC-Co ogrzewa si? do temperatury topnienia Co, cz?stki WC pozostaj? w stanie sta?ym; proszek jest dalej ogrzewany i Co zaczyna parowa?. Cz??ciowe stopienie zmniejszy g?sto?? produktu. Aby rozwi?za? ten problem, niektórzy badacze próbowali doda? spoiwa, takie jak metale o niskiej temperaturze topnienia. Gu i in. Proszek Cu i proszek WC-10Co zmieszano w stosunku wagowym 60:40 i przy u?yciu DMLS wytworzono próbki o wymiarach 50 mm × 10 mm × 9 mm. Ze wzgl?du na du?? ilo?? Cu g?sto?? wzgl?dna tej próbki osi?gn??a 94,3%. Po drugie, te technologie stapiania w z?o?u proszkowym maj? pewne wymagania dotycz?ce stosowanego proszku. W procesach SLM i EBM proszki metali rozchodz? si? przez rolki, podczas gdy DMLS i LENS s? zwykle wyposa?one w synchroniczny system podawania proszku. Aby uzyska? jednolit? i cienk? warstw? proszku, oba typy podawania proszku wymagaj? proszku drobnoziarnistego i sferycznego o dobrej sypko?ci. Proszek WC-Co o nieregularnym kszta?cie dost?pny w handlu nie spe?nia tych wymagań. Ponadto nagrzewanie i ch?odzenie laserem/wi?zk? elektronów (tj. proces spiekania) przebiega bardzo szybko. Tylko kilka cz?stek WC mo?e rozpu?ci? si? w fazie ciek?ej. Niepe?ne spiekanie mo?e obni?y? wydajno?? produktu. Wreszcie, powy?sze techniki wymagaj? systemów ochrony w wysokiej pró?ni lub w gazie oboj?tnym, które s? kosztowne i obejmuj? odw?glenie i odparowanie kobaltu. Nied?wied? i in. odkryli, ?e w sproszkowanym surowcu nie by?o wystarczaj?cej ilo?ci wolnego w?gla, aby zrekompensowa? utrat? w?gla, która wyst?pi?a podczas procesu LENS. Chocia? powy?sze techniki mog? wytwarza? wiele skomplikowanych cz??ci, mog? nie by? odpowiednie do produkcji twardych metali WC-Co. W celu rozwi?zania ograniczeń konwencjonalnych metod oraz problemów ww. technologii AM w produkcji metali twardych WC-Co, zaproponowano nowy proces AM o nazwie 3D Gel Printing (3DGP). 3DGP ??czy formowanie wtryskowe ?elu z modelem osadzania topionego (FDM) i ma mo?liwo?? przekszta?cania modeli 3D w bry?y 3D. Rysunek 1(a) przedstawia zaprojektowane przez nas urz?dzenie 3DGP. Figura 1(b) przedstawia powi?kszony widok systemu wyt?aczania i osadzania urz?dzenia. Najpierw zaprojektowany model 3D jest ci?ty na seri? plasterków 2D. Sproszkowana zawiesina w roztworze monomeru organicznego jest nast?pnie wykorzystywana jako ?atrament” i przenoszona do wyt?aczarki ?limakowej urz?dzenia 3D GP pod okre?lonym ci?nieniem spr??onego powietrza. Jednocze?nie inicjator i katalizator s? dostarczane proporcjonalnie do tej samej wyt?aczarki ?limakowej. Materia?y s? dok?adnie mieszane i wyt?aczane przez dysz?, a nast?pnie umieszczane na platformie drukarskiej. Po krótkim czasie organiczne monomery s? sieciowane, a sta?y proszek jest utrzymywany na miejscu przez trójwymiarowy usieciowany polimer. W ten sposób zawiesina jest selektywnie osadzana warstwa po warstwie, co jest zgodne z ka?dym wst?pnie skonstruowanym wycinkiem 2D modelu 3D. Ostatecznie uzyskuje si? trójwymiarow? struktur? zielonego korpusu. Aby unikn?? zapadania si? zieleni podczas procesu drukowania, platforma drukuj?ca pozostaje nieruchoma, a g?owica drukuj?ca urz?dzenia 3DGP mo?e porusza? si? wzd?u? osi X, Y i Z, co ró?ni si? od konwencjonalnego urz?dzenia FDM. Podobnie jak tradycyjne urz?dzenia FDM, nowe urz?dzenie ma zalety elastycznego formowania, prostej konstrukcji i dok?adnej kontroli. Po wysuszeniu surowy korpus jest odt?uszczany i spiekany w piecu pró?niowym lub atmosferycznym. Rysunek 1 Schemat 3DGP: (a) urz?dzenie do drukowania na ?elu 3D, (b) powi?kszony widok systemu wyt?aczania i osadzania, (c) w?ókna zawiesiny i (d) osadzanie w?ókien serycynowych. Odlewanie ?elu by?o wykorzystywane do produkcji ró?nych materia?ów metalowych i ceramiki, takich jak WC-8 wt%Co, stal nierdzewna 17-4PH, stop wysokotemperaturowy, Al2O3, Si3N4, SiC i tak dalej. Dowodzi to, ?e ró?ne proszki materia?ów mog? by? stabilnie dyspergowane i zawieszane w roztworze monomeru organicznego, co oznacza, ?e 3DGP ma ogromny potencja? w tworzeniu wielu materia?ów, w tym metali, stopów metali, kompozytów z osnow? metaliczn? i ceramiki. Obecne zapotrzebowanie na z?o?one cz??ci z w?glików stale ro?nie. WC-20Co to typowy w?glik spiekany. W tym badaniu zawiesina WC-20Co zosta?a u?yta jako farba do druku, a wytwarzanie przyrostowe sk?adnika WC-20Co zosta?o zbadane przez 3DGP. Celem jest wytwarzanie cz??ci kompozytowych WC-20Co o wysokiej g?sto?ci i wysokich w?a?ciwo?ciach mechanicznych oraz badanie wykonalno?ci i praktyczno?ci 3DGP w kszta?towaniu bliskiego zasi?gu cz??ci ze stopów twardych WC-Co.2. Przygotowanie 2.1. Przygotowanie zawiesiny WC-20Co W tej pracy zastosowano komercyjny proszek WC o ?redniej ?rednicy cz?stek 2,7 μm oraz proszek Co o ?redniej ?rednicy cz?stek 46,5 μm. Figury 2(a) i (b) pokazuj? wygl?d odpowiednio proszku WC i proszku Co. Surowce te zmieszano stosuj?c mieszanin? do mielenia kulowego o stosunku wagowym WC do Co wynosz?cym 80:20 i kulk? z w?glika spiekanego zmieszan? z proszkiem WC-20Co w stosunku wagowym 5:1. Rysunek 2(c) przedstawia proszek kompozytowy WC-20Co po mieleniu przez 24 godziny. 2 Morfologia materia?u proszkowego: (a) proszek WC, (b) proszek Co i (c) proszek kompozytowy WC-20Co. Aby zapobiec utlenianiu kobaltu, zaprojektowano uk?ady niehydro?elowe. Jako rozpuszczalniki i organiczne monomery wybrano toluen i metakrylan hydroksyetylu (CH2=C(CH3)COOCH2CH2OH, HEMA). Tabela 1 przedstawia uk?ady ?elowe stosowane w zawiesinach WC-20Co. Tabela 1. Uk?ad odczynników chemicznych dla zawiesiny WC-20Co. Rozpuszczalnikowy monomer organiczny ?rodek sieciuj?cy, dyspergator, inicjator, metakrylan toluenowo-hydroksyetylu (HEMA) N,N'-Metylen bis-akrylamid Solsperse-6000 Nadtlenek benzoilu (BPO) Dimetyloanilina (TEMED) Wszystkie odczynniki u?yte w eksperymencie by?y analitycznie czyste. Najpierw zmieszano HEMA (monomer) i N,N'-metyleno-bisakrylamid (?rodek sieciuj?cy) w stosunku wagowym 80:1 i nast?pnie rozpuszczono w toluenie w st??eniu 50% obj?to?ciowo HEMA w celu przygotowania obróbki wst?pnej. mieszanina. Nast?pnie przygotowano zawiesiny o ró?nych zawarto?ciach substancji sta?ych, dysperguj?c proszek WC-20Co we wst?pnie zmieszanym roztworze. Dyspergator Solsperse-6000 (ICI Co. USA, nietoksyczny) dodano jednocze?nie w okre?lonej proporcji. Te zawiesiny WC-20Co nast?pnie mielono w m?ynie kulowym przez 2 godziny w celu uzyskania jednorodnej zawiesiny.2.2. Proces druku 3D na ?elu Powy?sza zawiesina WC-20Co zosta?a dostarczona do urz?dzenia 3D GP pod odpowiednim ci?nieniem. Zastosowano tu trzy dysze o ?rednicach wewn?trznych 0,5, 0,6 i 0,7 mm. Tabela 2 przedstawia warunki drukowania procesu 3DGP. W oparciu o te parametry drukowania, na przyk?adzie frezu ukosowego, przygotowano i przeanalizowano kilka prostok?tnych próbek w celu okre?lenia dok?adno?ci i stanu powierzchni 3DGP. Po procesie drukowania w ?elu 3D surowe bry?y suszono w piecu pró?niowym w temperaturze 60°C przez 8 godzin. Wysuszony surowy korpus odt?uszczano w 700°C przez 1 godzin?, a na koniec spiekano w pró?niowym piecu rurowym w?glowym (pró?nia <2 Pa) w 1360°C przez 1 godzin?. Tabela 2. Warunki drukowania dla 3DGP. Numerowanie warunków drukowania ?rednica dyszy grubo?? druku1 0,50 mm 0,35 mm 28 mm/s2 0,60 mm 0,45 mm 28 mm/s3 0,70 mm 0,55 mm 28 mm/s2.3. pomiar Lepko?? zawiesiny WC-20Co badano stosuj?c obrotowy wiskozymetr NDJ-79 w 25°C. Analiz? termograwimetryczn? (TGA) i ró?nicow? analiz? termiczn? (DTA) zastosowano do zbadania termicznej utraty masy i kinetyki rozk?adu spoiw organicznych, gdy szybko?? ogrzewania wynosi?a 10°C/min w przep?ywie argonu o wysokiej czysto?ci. Do pomiaru g?sto?ci surowej i spiekanej zastosowano zasad? Archimedesa. Do obserwacji chropowato?ci powierzchni, wygl?du i morfologii przekroju poprzecznego zielonego cia?a 3DGP zastosowano laserowy skaningowy mikroskop konfokalny. Za pomoc? skaningowej mikroskopii elektronowej obserwowano wygl?d proszku WC-20Co oraz mikrostruktur? surowych i spiekanych próbek. Twardo?? spiekanych próbek badano za pomoc? twardo?ciomierza Rockwella ze sto?kiem diamentowym i obci??eniem 60 kg. Prób? zginania spiekanych próbek poci?tych na kawa?ki o wymiarach 5 mm x 5 mm x 35 mm przeprowadzono na elektronicznej uniwersalnej maszynie wytrzyma?o?ciowej przy szybko?ci obci??enia 10 mm/min. Ka?dy zestaw raportowanych danych jest oparty na atrybutach uzyskanych z 3 do 5 próbek.3. Wyniki i dyskusja3.1. Zachowanie reologiczne i proces ?elowania gnojowicy WC-20Co Jako?? gnojowicy zale?y od dwóch kluczowych czynników: obci??enia cia?em sta?ym i lepko?ci. FIGA. 3 pokazuje wp?yw obci??enia cia?ami sta?ymi na lepko?? zawiesiny WC-20Co przy szybko?ci ?cinania 20 s-1. Lepko?? zawiesiny wzrasta wraz z obci??eniem cia?ami sta?ymi. W przeciwieństwie do wymagań dotycz?cych lepko?ci formowania wtryskowego ?elu (zwykle <1 Pa·s), w procesie 3DGP mo?na zastosowa? wy?sz? lepko?? (oznaczaj?c? wy?sz? zawarto?? cz??ci sta?ych). Pasta 3DGP nie musi by? wype?niana form?, a jedynie musi mie? pewien stopień p?ynno?ci (zwykle <3 Pa·s), aby mo?na j? by?o wycisn?? przez dysz?. Jednak nadmierna lepko?? mo?e utrudnia? wyt?aczanie pasty WC-20Co. Na przyk?ad zawiesina o zawarto?ci cz??ci sta?ych 59 obj.% jest zbyt lepka, aby mo?na j? by?o wyt?acza?. W tym badaniu, cztery ró?ne zawiesiny WC-20Co za?adowane cia?em sta?ym zosta?y bezpo?rednio wydrukowane przez 3DGP: 47, 50, 53 i 56 vol%. Rysunek 3. Wp?yw zawarto?ci cia? sta?ych na lepko?? pasty WC-20Co. Zawiesina 20Co wykazuje w?a?ciwo?ci p?ynne pseudoplastyczne. Jak pokazano na Figurze 4, wraz ze wzrostem szybko?ci ?cinania, lepko?? zawiesiny WC-20Co znacznie spada, co wskazuje na zachowanie rozrzedzenia przy ?cinaniu. Wskazuje to, ?e szlam WC-20Co mo?e p?yn?? z du?ymi szybko?ciami ?cinania spowodowanymi ci?nieniem powietrza i mieszaniem i mo?e by? wyt?aczany pod okre?lonym ci?nieniem przez dysz? o ma?ej ?rednicy. Po wyt?oczeniu zawiesiny i zaniku si?y ?cinaj?cej, w?ókna zawiesiny zachowuj? swój kszta?t, a nie rozprzestrzeniaj? si? przez krótki czas bezczynno?ci przed zestaleniem. Ta charakterystyka rozrzedzania przy ?cinaniu jest bardzo korzystna dla wyt?aczania i osadzania zawiesin WC-20Co w procesie 3DGP. Rysunek 4. Zale?no?? mi?dzy lepko?ci? pozorn? a szybko?ci? ?cinania dla zawiesiny WC-20Co. Mi?dzy dodaniem katalizatora, dimetyloaniliny, wyst?puje czas bezczynno?ci (TEMED) i inicjator nadtlenek benzoilu (BPO) oraz pocz?tek ?elowania (polimeryzacja sieciowa). Optymalizacja czasu wolnego jest kluczowym punktem 3DGP. W odpowiednim czasie bezczynno?ci ?limak systemu wyt?aczania mo?e silnie miesza? zawiesin? WC-20Co, katalizator i inicjator oraz zapewnia? szybk? polimeryzacj? sieciuj?c? monomeru HEMA po wyt?oczeniu i osadzeniu zawiesiny. Przed wydrukowaniem kolejnej warstwy, poprzednia warstwa szlamu powinna mie? wystarczaj?c? wytrzyma?o??, aby zielona masa mog?a zachowa? swój kszta?t i wytrzyma? swój w?asny ci??ar. Polimeryzacja sieciuj?ca HEMA jest reakcj? egzotermiczn?, dlatego do okre?lenia czasu bezczynno?ci stosuje si? niestandardowe przyrz?dy z termometrem. W naszej poprzedniej pracy stwierdzili?my istotny wp?yw na szybko?? reakcji katalizatora TEMED, st??enie TEMED wynosi?o 10 mmol/L. Reakcja sieciowania zachodzi przy stabilno?ci. W przeciwieństwie do niezwyk?ego efektu katalizatora, wygodniej jest zoptymalizowa? czas bezczynno?ci i szybko?? polimeryzacji przez dostosowanie st??enia inicjatora. Po dodaniu do zawiesiny WC-20Co inicjator BPO rozk?ada si? na wolne rodniki, z powodzeniem inicjuj?c reakcj? polimeryzacji. Rysunek 5 przedstawia wp?yw st??enia inicjatora na czas martwy zawiesiny WC-20Co o zawarto?ci cz??ci sta?ych 56% obj?to?ciowo. Wyniki pokazuj?, ?e ?elowanie zawiesiny WC-20Co mo?na kontrolowa?. Czas bezczynno?ci zmniejsza si? wraz ze wzrostem st??enia inicjatora. Gdy st??enie inicjatora wynosi 40 mmol/L, czas bezczynno?ci wynosi > 20 min. Jednak wraz ze wzrostem st??enia inicjatora do 70 mmol/L czas bezczynno?ci zmniejszy? si? do oko?o 5 minut. Gdy st??enie przekracza 100 mmol/L, minimalny czas bezczynno?ci uderzenia. Podobne wzory dotycz? szlamów o ró?nej zawarto?ci cz??ci sta?ych. Zgodnie z wynikami powtórzonych eksperymentów zaprezentowano inicjator (90 mmol/L) o optymalnej dawce. Podczas tego optymalnego okresu roz?adunku (oko?o 2 minut) zawiesina WC-20Co by?a mieszana z okre?lon? ilo?ci? katalizatora i inicjatora w wyt?aczarce ?limakowej, a nast?pnie wyt?aczana przez dysz? i ostatecznie utwardzana w ci?gu 20 sekund. 5 Wp?yw st??enia inicjatora na czas opró?niania zawiesiny WC-20Co 3.2. Charakterystyka zielonego korpusu Zawiesina WC-20Co zosta?a wyt?oczona przez konwencjonaln? dysz? i ze wzgl?du na efekt Barusa (rozpr??anie ekstrudowane) ?rednica filamentu zawiesiny by?a nieco wi?ksza ni? wewn?trzna ?rednica dyszy. Jak pokazano na rys. 1(c), po osadzeniu g?stego filamentu na platformie drukarskiej jego w?asna grawitacja, w?a?ciwo?ci reologiczne i niewielki kontakt z dysz? stan? si? pó?eliptyczne, jak pokazano na rys. 1(c). Kontroluj?c czas bezczynno?ci, pasta drukarska mo?e by? szybko utwardzona i wystarczaj?co mocna przed wyt?oczeniem kolejnej warstwy. Rysunek 1(d) przedstawia schemat procesu osadzania 3DGP. W?ókna zawiesiny WC-20Co s? u?o?one krzy?owo, a nast?pna warstwa wype?ni pust? przestrzeń poprzedniej warstwy. Ze wzgl?du na wspomniany wcze?niej efekt Barusa konieczne jest dobranie odpowiedniej szybko?ci nape?niania. Efekt szybko?ci nape?niania pokazano na rysunku 6. Trzy ró?ne próbki szybko?ci nape?niania wydrukowano za pomoc? dyszy 0,7 mm i pasty WC-20Co zawieraj?cej 56 vol% substancji sta?ych. Gdy szybko?? nape?niania wynosi 100%, szlam WC-20Co gromadzi si?, odkszta?ca, a nast?pnie uszkadza kszta?t produktu. Z drugiej strony, jak pokazano w strukturze sieciowej pokazanej na FIG. 6(a), ma?a szybko?? nape?niania skutkuje nisk? g?sto?ci? surowej masy. Przy nape?nieniu 92% zielony korpus dobrze si? uformowa?. W?a?ciw? szybko?? nape?niania dobiera si? na podstawie w?a?ciwo?ci reologicznych gnojowicy i wielko?ci dyszy. Rysunek 6 Próbki zielone o ró?nych szybko?ciach nape?niania: (a) 84%, (b) 92% i (c) 100%. Wewn?trzna ?rednica dyszy wp?ywa na grubo?? osadzonej warstwy i ostatecznie okre?la chropowato?? powierzchni i dok?adno?? wymiarow? surowego korpusu. Aby to zilustrowa?, 3DGP wykona?o kilka próbek przy u?yciu dysz o ró?nej ?rednicy i zawiesiny WC-20Co z ?adunkiem substancji sta?ych 56 vol%. Zmierzono grubo?? ich warstwy, chropowato?? powierzchni, kszta?t i rozmiar, aby obliczy? dok?adno?? formowania 3DGP. Grubo?? warstwy i chropowato?? powierzchni drukowanych próbek badano za pomoc? konfokalnej laserowej mikroskopii skaningowej. FIGA. 7 jest widokiem z boku surowego korpusu uzyskanego przez 3DGP przy u?yciu trzech dysz o ?rednicach wewn?trznych 0,5, 0,6 i 0,7 mm. Wskazuje to, ?e w?ókna zawiesiny zachowuj? swój kszta?t i utwardzaj? si? w czasie, z dobrym wi?zaniem mi?dzy warstwami. W tabeli 3 przedstawiono grubo?? warstwy, chropowato?? powierzchni i wymiary zadrukowanej zielonej masy. Wyniki zmierzonych grubo?ci warstw (odpowiednio 0,355 mm, 0,447 mm i 0,552 mm) s? zgodne z ustawieniami 3DGP przedstawionymi w tabeli 2. Wraz ze wzrostem ?rednicy dysz zwi?ksza si? chropowato?? powierzchni drukowanej próbki. Gdy prostok?tny równoleg?o?cian drukowano za pomoc? dyszy o wewn?trznej ?rednicy 0,5 mm, uzyskano chropowato?? powierzchni (Ra) 8,13±0,6 μm. Gdy ?rednica wewn?trzna dyszy zosta?a zwi?kszona do 0,7 mm, próbka mia?a chropowato?? powierzchni (Ra) a? 19,98±0,9 μm. Jak wida? z tabeli 3, wszystkie te zadrukowane pó?fabrykaty s? nieco wi?ksze ni? model trójwymiarowy, ale s? nieco mniejsze podczas procesu suszenia i dlatego s? bli?sze modelowi. Rysunek 8 przedstawia wysuszon? prostok?tn? próbk? wydrukowan? przy u?yciu dyszy 0,5 mm i zawiesiny WC-20Co z ?adunkiem substancji sta?ych 56 obj.%. Jak pokazano na Ryc. 8(b), powierzchnia próbki z zestawu 3DGP nie mia?a widocznych porów, od?amków i wad wypaczenia. Na powierzchni próbki prostopad?o?ciennej nadal widoczne s? ?lady odcisku linii. Wyniki pokazuj?, ?e urz?dzenie 3DGP ma dobr? zdolno?? formowania, a zastosowanie precyzyjnych dysz do przygotowania próbek skutkuje mniejsz? chropowato?ci? powierzchni i wi?ksz? dok?adno?ci? wymiarow?. Rysunek 8(e) przedstawia przekrój poprzeczny suchej zielonej próbki o ma?ym powi?kszeniu. Nie ma interfejsu mi?dzy warstw? druku a liniami wewn?trz zielonej próbki. Chocia? pasta WC-Co jest drukowana jedna po drugiej warstwa po warstwie, w?a?ciwo?ci zwil?aj?ce i rozprowadzaj?ce pasty s? dobre, a szybko?? wype?niania jest odpowiednia, dzi?ki czemu drut i warstwa maj? doskona?? przyczepno??. Ponadto, sieciuj?ca polimeryzacja HEMA nadal zachodzi na tych powierzchniach rozdzia?u podczas etapów drukowania i suszenia oraz ?cis?ego wi?zania drutów i warstw. Na obrazie SEM (rys. 8(f)) wida?, ?e zielona próbka ma jednorodn? mikrostruktur?, a cz?stki WC-Co s? równomiernie rozmieszczone. Co wi?cej, cz?stki s? szczelnie pokryte ?elowym polimerem i unieruchomione. Rysunek 7: Wygl?d powierzchni bocznej i grubo?? warstwy surowych korpusów ró?nych dysz utworzonych przez 3DGP: dysza 0,5 mm, (b) dysza 0,6 mm i (c) Dysza 0,7 mm. Tabela 3. Grubo?? warstwy, chropowato?? powierzchni i wymiary surowych bry? po wydrukowaniu oraz wymiary suszonych surowych bry?. (Model 3D ma wymiary 40 mm × 20 mm × 20 mm.)Rys. 8. Próbka prostopad?o?cienna wydrukowana przez 3DGP przy u?yciu dyszy 0,5 mm i zawiesiny WC-20Co z obci??eniem sta?ym 56 vol%: (a) model trójwymiarowy, (b) wysuszony surowy korpus, (c) próbka spiekana, (e) krzy? przekrój suszonej masy surowej w ma?ym powi?kszeniu oraz (f) mikrostruktury suszonej masy zielonej. Obci??enie cia?em sta?ym wp?ywa na g?sto?? masy zielonej. Jak pokazano na RYS. 9, gdy wybrana jest w?a?ciwa dysza i dobrana jest odpowiednia szybko?? nape?niania, g?sto?? pocz?tkowa wzrasta wraz ze wzrostem ?adunku cia? sta?ych w zawiesinie. Przy obci??eniu cia?ami sta?ymi 56 obj.% g?sto?? w stanie surowym wynosi?a 7,85 g/cm3. Zastosowanie szlamów o wysokiej zawarto?ci cz??ci sta?ych u?atwia produkcj? surowych wyprasek o wysokiej g?sto?ci i zmniejsza skurcz podczas suszenia i spiekania, co u?atwia uzyskanie jednorodnych i bardzo dok?adnych cz??ci spiekanych o wysokiej g?sto?ci. W za?o?eniu o rozs?dnej lepko?ci konieczne jest maksymalne zwi?kszenie obci??enia cia?ami sta?ymi. Rysunek 9. G?sto?? po spiekaniu próbek 3D GP przy ró?nych obci??eniach cia?ami sta?ymi WC-20Co.3.3. Próbka spiekanaProces 3DGP opiera si? na polimeryzacji in situ organicznych spoiw monomerowych i FDM. Przed spiekaniem zielony ?elowy polimer (spoiwo organiczne) powinien si? roz?o?y? i wypali?. Aby zbada? kinetyk? rozk?adu termicznego spoiw organicznych, zielone próbki wydrukowane przy u?yciu zawiesiny WC-20Co przy obci??eniu cia?ami sta?ymi 56 obj.% zosta?y przetestowane za pomoc? TG i DTA w atmosferze przep?ywaj?cego argonu przy szybko?ci ogrzewania 10°C/min. . Jak pokazano na rysunku 10, zielona próbka jest endotermiczna z powodu parowania toluenu i staje si? ja?niejsza w niskich temperaturach (<100 °C). Krzywa DTA pokazuje siln? egzoterm? przy oko?o 450°C. Odpowiadaj?c pikowi egzotermicznemu, zielony korpus wykazuje znaczn? utrat? masy mi?dzy 300 °C a 500 °C. Po podgrzaniu do 600°C zielona próbka straci?a 3,08 wt%. Wed?ug obliczeń zawarto?? substancji organicznej w wysuszonej zielonej próbce wynosi?a wagowo 3,02%. Gdy temperatura jest wy?sza ni? 600°C, ci??ar surowego korpusu prawie si? nie zmienia. Wyniki pokazuj?, ?e zielony ?el polimerowy ca?kowicie wypali? si? po podgrzaniu do oko?o 600°C. Ze wzgl?du na nisk? zawarto?? spoiw organicznych, zielone próbki drukowane w technologii 3DGP wymagaj? jedynie odt?uszczania termicznego. 3DGP mo?e tworzy? komponenty o du?ych rozmiarach. Próbka WC-20Co zosta?a wy?arzona w 700°C przez godzin? z uwagi na opó?nienie temperaturowe pieca. Na RYS. 8(c), mo?na wyra?nie zaobserwowa?, ?e skurcz próbki wytworzonej w 3DGP jest jednorodny podczas spiekania. Spiekana próbka zachowuje swój kszta?t bez wypaczeń i nie ma defektów na powierzchni.Rysunek 10. Krzywa DTA i krzywa TG próbki 3DGP z szybko?ci? ogrzewania 10°C/min.W miar? wzrostu zawarto?ci substancji sta?ych g?sto?? spiekanej Zwi?ksza si? próbka 3DGP. Podobnie jak dane o g?sto?ci na RYS. 9, próbka wydrukowana przy u?yciu zawiesiny WC-20Co o zawarto?ci substancji sta?ych 56 obj.-% wykaza?a maksymaln? g?sto?? 13,55 g/cm3, która osi?gn??a 99,93% g?sto?ci teoretycznej. Jednak?e, gdy ?adunek cia?a sta?ego zosta? zmniejszony do 47% obj?to?ciowo, g?sto?? spieku wynosi?a tylko 12,01 g/cm3 (88,58% g?sto?ci teoretycznej). Wp?yw obci??enia cia?ami sta?ymi znajduje równie? odzwierciedlenie w mikrostrukturze spiekanej próbki. Przy sta?ym obci??eniu obj?to?ciowym do 56%, obraz SEM (Rysunek 11(a)) pokazuje spiekan? próbk? z prawie pe?nym zag?szczeniem bez zaobserwowanych p?kni?? i pustych przestrzeni. Gdy zawarto?? substancji sta?ych jest niska, innymi s?owy, zawarto?? rozpuszczalnika i zawarto?? spoiwa organicznego s? wysokie, odparowanie rozpuszczalnika i wypalenie spoiwa organicznego powoduje wiele pustych przestrzeni, co utrudnia zag?szczanie spiekania. FIGA. 11(b) pokazuje, ?e gdy zawarto?? cia? sta?ych zawiesiny WC-20Co jest zmniejszona do obj?to?ci 53%, w spiekanej próbce znajduj? si? ma?e otwory. Na FIG. 11(c) ilustruj?cy mikrostruktur? próbki wydrukowanej przy u?yciu zawiesiny WC-20Co z obci??eniem sta?ymi 50% obj?to?ciowo. Jak pokazano na RYS. 11(d), coraz wi?cej otworów pojawia si?, gdy obci??enie cia?a sta?ego jest dalej zmniejszane. Podczas odt?uszczania i spiekania nie ma wystarczaj?cej ilo?ci fazy ciek?ej, aby wype?ni? pory pozostawione przez rozpuszczalnik i spoiwo organiczne. Spowodowa?o to nisk? g?sto?? i du?? liczb? pustych przestrzeni w próbkach wydrukowanych przy u?yciu pasty WC-20Co z obci??eniem cia?ami sta?ymi obj?to?ciowo 47%. Rysunek 11. (a) 56 vol%, (b) 53 vol%, (c) 50 vol%, oraz (d) zawiesin? 47 vol% WC-20Co przez wydrukowany w 3DGP obraz SEM spiekanej próbki. Na Rysunku 12 przedstawiono zmian? twardo?ci spiekanych próbek w funkcji obci??enia zawiesiny WC-20Co cia?em sta?ym. Przy obci??eniu obj?to?ciowym cia? sta?ych 47% twardo?? (HRA) wynosi tylko 84,5. Niska zawarto?? cz??ci sta?ych skutkuje nisk? g?sto?ci? spieku (wysoka porowato??), co znacznie obni?a w?a?ciwo?ci mechaniczne próbki. Wraz ze wzrostem obci??enia cia?ami sta?ymi znacznie wzrasta twardo??. Próbki wydrukowane przy u?yciu zawiesiny WC-20Co o obci??eniu cia?ami sta?ymi 56 vol% maj? maksymaln? twardo?? (HRA) wynosz?c? 87,7. Rysunek 12. Warto?ci twardo?ci spiekanych próbek przy ró?nych obci??eniach cia?ami sta?ymi WC-20Co. spieczona próbka. Jak pokazano na rysunku 13, zaobserwowano, ?e wytrzyma?o?? próbki na zginanie wzrasta wraz ze wzrostem obci??enia cia?ami sta?ymi. Wygl?d p?kni?cia i mikrostruktura próbki (Rysunek 14) równie? to potwierdzi?y. Jak pokazano na FIG. 14(b), (c) i (d), próbka mia?a bardzo nisk? wytrzyma?o?? na zginanie, a wiele otworów zosta?o spowodowanych przez ma?e obj?to?ciowe ?adunki cia? sta?ych 53%, 50% i 47%. Pomimo obecno?ci porów mo?na zauwa?y?, ?e cz?stki WC s? równomiernie rozmieszczone i nie wyst?puje nienormalny wzrost. Próbki wykonane z szlamu o wysokiej zawarto?ci WC-20Co (56 vol%) mia?y wytrzyma?o?? na rozerwanie poprzeczne 2612,8 MPa. Rysunek 13. Wytrzyma?o?? na zginanie spiekanych próbek przy ró?nych obci??eniach cia?em sta?ym WC-20Co. Rysunek 14. Wzory p?kania wydrukowanych próbek WC-20Co przy u?yciu szlamów z ró?nymi ?adunkami cia? sta?ych: (a) 56 vol%, (b) 53 vol%, (c) 50 vol% i (d) 47 vol%. Rysunek 15 przedstawia frez uko?ny (?rednica 52 mm) wykonany z 3DGP i spiekany w 1360 °C. Spiekanie kurczy si? równomiernie. Dlatego frezowanie ukosowe zapewnia dobre zachowanie kszta?tu. W?a?ciwo?ci mechaniczne próbek drukowanych w technologii 3DGP s? podobne do w?a?ciwo?ci mechanicznych próbek wykonanych za pomoc? konwencjonalnych pras drukarskich i technik spiekania. 3DGP to zaawansowany proces formowania bliskiego sieci, który umo?liwia formowanie skomplikowanych kszta?tów bez formy (swobodne formowanie). Wydrukowane linie mo?na ogl?da? na ?ci?tej powierzchni. Cz??ci wykonane przez 3DGP musz? by? wypolerowane i wykończone przed u?yciem. Szybko?? formowania 3DGP jest nadal bardzo niska. Wydruk frezowania ukosowego zajmuje 2 godziny i 46 minut. Jako proces bez formowania, 3DGP pokonuje ograniczenia z?o?onych kszta?tów i upraszcza przebieg procesu. Wraz z rozwojem technologii i wyposa?enia dok?adno?? i szybko?? formowania b?d? stopniowo wzrasta?. 3DGP zapewnia now? metod? kszta?towania bliskiej siatki elementów z w?glików spiekanych WC-Co. Rysunek 15. Frez ukosowany wydrukowany przez 3DGP.4. wniosek Kompozytowy sk?adnik WC-20Co zosta? z powodzeniem wyprodukowany w kszta?cie zbli?onym do netto w nowym procesie AM zwanym drukowaniem ?elowym 3D, w którym selektywnie nak?ada si? zawiesin? WC-20Co warstwa po warstwie. Mo?na wyci?gn?? nast?puj?ce wnioski: (1)Zawiesiny o odpowiednich w?a?ciwo?ciach reologicznych mo?na wytwarza? stosuj?c uk?ady proszku kompozytowego WC-20Co o nieregularnych kszta?tach i ?elu toluen-HEMA. Rozrzedzenie ?cinania i kontrolowana reakcja ?elowania sprawiaj?, ?e zawiesina WC-20Co nadaje si? do procesu 3DGP. (2) 3DGP mo?e by? stosowany do wytwarzania z?o?onych zielonych cia?. Zastosowanie precyzyjnych dysz pomaga poprawi? dok?adno?? formowania 3DGP i zmniejszy? chropowato?? powierzchni próbki. Szybko?? pakowania nale?y dobra? w oparciu o reologi? gnojowicy i wielko?? dyszy. Wydrukowana próbka ma dobry kszta?t i chropowato?? powierzchni 8,13±0,6 μm. Niska zawarto?? spoiwa w zielonym sprz?cie umo?liwia 3DGP wytwarzanie elementów o du?ych rozmiarach. (3) Zwi?kszenie zawarto?ci cia? sta?ych zawiesiny WC-20Co spowodowa?o popraw? lepko?ci zawiesiny, g?sto?ci po spiekaniu, g?sto?ci spiekania i w?a?ciwo?ci mechanicznych spieku próbki. Spiekana próbka wydrukowana przy u?yciu zawiesiny 56 vol% WC-20Co ma g?sto?? 13,55 g/cm3 (99,93% g?sto?ci teoretycznej), twardo?? 87,7 (HRA) i wytrzyma?o?? na zginanie 2612,8 MPa. Ponadto mikrostruktura jest jednolita z drobnymi i jednolitymi ziarnami WC. Odniesienie: Xin yue Zhang, Zhi, meng Guo, Cun guang Chen, Wei wei Yang. Produkcja addytywna komponentów WC-20Co za pomoc? drukowania ?elowego 3D. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, tom 70, styczeń 2018, strony 215-223
?ród?o: Carbide Meeyou