Spis treści
Analiza termiczna ceramiki drukowanej w 3D
Ceramika są wykorzystywane w wielu dziedzinach przemysłu. Z reguły ceramika jest najpierw formowana jako zielony korpus z surowca, a następnie poddawana obróbce i wypalana w specjalny sposób (znany jako spiekanie) w celu utwardzenia i nadania jej ostatecznego kształtu.
W zależności od branży mogą to być proste naczynia, dekoracje lub wyroby sanitarne, ale także ceramika techniczna, taka jak protezy lub różne komponenty techniczne. Ceramiczny przedmiot obrabiany jest zwykle wypalany w piecu po wstępnej obróbce mechanicznej. Jest on wystawiony na działanie temperatur od 900 °C do 1400 °C.
Odbywa się to poprzez ogrzewanie w określonym przedziale czasowym w stale rosnącej temperaturze, ale także w precyzyjnie określonych przedziałach izotermicznych w celu kontrolowania reakcji chemicznych podczas wypalania ceramiki i kontrolowania odgazowywania pary wodnej, dwutlenku węgla i innych domieszek. Po pierwszym wypaleniu na ceramikę często nakładana jest glazura, a następnie przedmiot obrabiany jest ponownie wypalany w celu jego całkowitego utwardzenia.
Cały proces trwa kilka godzin, a zatem wymaga znacznej ilości czasu. Ponadto nie można zagwarantować, że po wypaleniu przedmiot wyjdzie z pieca nieuszkodzony; mogą wystąpić różne błędy (brak materiału, nieprawidłowy proces wypalania itp.), które mogą prowadzić do pęknięć lub pęknięć w ceramice.
Bardziej nowoczesnym i prostszym rozwiązaniem do wypalania szerokiej gamy elementów ceramicznych jest produkcja addytywna. W przypadku ceramiki jest to często określane jako druk 3D. Jest to proces produkcyjny, w którym materiał jest nakładany warstwa po warstwie w celu stworzenia trójwymiarowych obiektów.
Tworzenie jest zwykle wspomagane komputerowo (CAD), a jeden lub więcej płynnych lub stałych materiałów jest wykorzystywanych jako materiał wyjściowy zgodnie z określonymi wymiarami i kształtami. Podczas procesu drukowania zachodzą procesy chemicznego
Przewaga tej metody nad konwencjonalnymi procesami wypalania jest oczywista: nakładanie ceramiki warstwa po warstwie umożliwia wytwarzanie skomplikowanych i złożonych struktur, w przypadku których ryzyko pęknięcia podczas procesu wypalania byłoby szczególnie wysokie. Oszczędza to również ogromną ilość czasu, ponieważ element spiekany addytywnie lub wydrukowany w 3D można wyprodukować znacznie szybciej, ponieważ proces wypalania w piecu nie jest konieczny.
W porównaniu do wszystkich procesów usuwania materiału, takich jak cięcie, toczenie i wiercenie, druk 3D ma tę zaletę, że eliminuje dodatkowy etap przetwarzania po wykonaniu formy wzorcowej. W większości przypadków proces ten jest również bardziej energooszczędny, zwłaszcza jeśli materiał musi zostać wytworzony tylko raz w wymaganym rozmiarze i masie. Zaletą jest również to, że w jednej maszynie można przetwarzać różne materiały.
Pierwotnie proces druku 3D został po raz pierwszy zastosowany w przemyśle polimerowym ponieważ tworzywa sztuczne są łatwe do stopienia i obróbki oraz nie wymagają spiekania ani utwardzania. Poprzez podgrzanie tuż powyżej temperatury mięknienia i szybkie schłodzenie wydrukowanego filamentu, struktury mogły być tworzone w czasie rzeczywistym. Jednak proces ten szybko ewoluował, dzięki czemu obecnie można drukować nie tylko różne polimery, ale także metale i ceramikę, co czyni druk 3D wszechstronną opcją produkcji.
Procesy wytwarzania przyrostowego można podzielić na siedem głównych kategorii i są one obecnie szczegółowo opisane w kilku normach (DIN EN ISO/ASTM 52900, wcześniej ASTM F2792):
- Wyjście segregatora
- Wydajność materiałowa
- Fuzja złoża proszkowego
- Wytłaczanie materiałów
- Fotopolimeryzacja w kadzi
- Ukierunkowane osadzanie energii
- Laminowanie arkuszy
Główną różnicą między nimi jest sposób, w jaki warstwy są nakładane w celu wytworzenia części i jakie materiały są używane. Najważniejszymi czynnikami przy wyborze maszyny i procesu drukowania 3D są szybkość (w zależności od rozmiaru obiektu) i koszt (materiału i maszyny). Materiały ogólnie: metal, ceramika, plastik.
Głównym obszarem zastosowania technologii wytwarzania przyrostowego są nadal badania, a przede wszystkim rozwój produktów i budowa prototypów w przemyśle. Idealnie nadaje się do produkcji modeli, prototypów, narzędzi lub konkretnych produktów, ponieważ nie są wymagane żadne specjalne narzędzia, a konwersja z rysunku do modelu może być zrealizowana bardzo szybko.
Inne obszary zastosowań obejmują w szczególności technologię medyczną, gdzie specjalnie dostosowane protezy i implanty (zwłaszcza w stomatologii) często muszą być wykonane na miarę. Jednak bardziej nietypowe obszary zastosowań, takie jak rzeźba i sztuka, również wykorzystują produkcję addytywną do produkcji rzeźb. Drukarki 3D mogą być obecnie wykorzystywane również do celów prywatnych, ponieważ procesy i drukarki są obecnie gotowe do produkcji seryjnej i są dostępne publicznie po stosunkowo niskich kosztach. W gospodarstwie domowym produkty z tworzyw sztucznych, takie jak zabawki, części zamienne lub małe uchwyty, mogą być wytwarzane łatwo i bez wcześniejszej wiedzy.
W przypadku ceramiki stosowane są następujące metody druku 3D:
- Procesy syntezy w złożu proszku, takie jak selektywne spiekanie laserowe (SLS).
- Proces ten może być generalnie wykorzystywany do drukowania polimerów, proszków ceramicznych lub metali. Materiał w postaci proszku jest topiony za pomocą wysokoenergetycznego lasera w celu wytworzenia całkowicie gęstych materiałów warstwa po warstwie. Cienka warstwa proszku jest osadzana na tacy za pomocą dyszy. Następnie laser rozpoczyna miejscowe spiekanie proszku, tworząc pierwszą warstwę. Odmianą tej metody jest druk atramentowy 3D. W tym przypadku spoiwo jest drukowane na warstwie proszku (gipsu lub żywicy) w przekroju części przy użyciu procesu podobnego do drukowania atramentowego. Jedną z zalet technik druku proszkowego jest to, że nadmiar proszku służy jako nośnik dla drukowanego obiektu.
- W modelowaniu osadzania topionego (FDM) lub wytwarzaniu topionego filamentu (FFF) przetwarzane są małe cząstki pożądanej ceramiki.
- Aby to zadziałało, w filamencie stosuje się specjalne spoiwo, zwykle specjalne tworzywo sztuczne, które utrzymuje proszek ceramiczny razem.
- Filament jest następnie podgrzewany do takiego stopnia, że upłynnia się i może być drukowany, podobnie jak konwencjonalny filament z tworzywa sztucznego. Ziarna ceramiczne mają tutaj średnicę około 1-2 µm.
- W rezultacie wychodzą one bezpośrednio z dyszy podczas drukowania z tworzywa sztucznego, a żądane warstwy mogą być drukowane bezpośrednio.
- Tylko tworzywo sztuczne, które utrzymuje i transportuje proszek razem, topi się podczas tego procesu, a tym samym służy jako środek wiążący.
- Ostatecznie tworzona jest drukowana forma, ale nadal zasadniczo składa się ona z proszku ceramicznego, a nie z litego korpusu ceramicznego.
- Nie jest to jeszcze finalny produkt, ale zielony produkt, który wciąż wymaga dopracowania.
- Na koniec część plastiku jest usuwana za pomocą specjalnego procesu. Po tym następuje proces spiekania, w którym obrabiany przedmiot jest wystawiany na działanie wysokich temperatur i substancji chemicznych w specjalnym piecu.
- Części ceramiczne łączą się ze sobą, a tworzywo sztuczne jest całkowicie usuwane. Oznacza to, że FDM jest ostatecznie bardzo podobny do oryginalnego procesu wypalania ceramiki, ponieważ oszczędza się tylko jeden etap wypalania, ale drugi nadal musi zostać przeprowadzony.
Odpowiednie warunki dla materiału, który ma być użyty w drukarce 3D, zależą od zachowania temperatury, takiego jak temperatura topnienia i sposób, w jaki materiał rozszerza się pod wpływem temperatury lub jaka jest jego przewodność cieplna. W związku z tym sensowne jest dokładne przetestowanie właściwości termicznych materiałów używanych do drukowania 3D. Następujące urządzenia są istotne dla tych testów:
- Z klasyczną dylatometria (DIL) może być stosowana do szerokiego badania termicznej rozszerzalności liniowej i spiekania ciał stałych i proszków. Oznacza to, że dylatometria jest obecnie standardową procedurą w produkcji ceramiki.
- Ponadto różne metody analizy przewodności cieplnej są przydatne do symulowania i kontrolowania rozkładu temperatury i przewodzenia w obrabianym przedmiocie. Najpopularniejszymi metodami są tutaj techniki błyskowe, takie jak
metoda błysku laserowego (LFA)
Po wyprodukowaniu komponentu ważne jest, aby określić wymagania dotyczące komponentu pod względem właściwości termicznych i mechanicznych oraz opracować je za pomocą projektu specjalnie dostosowanego do procesu. Zwykle ma to zastosowanie niezależnie od procesu produkcyjnego zastosowanego do wytworzenia komponentu. Jednak w przypadku komponentów wytwarzanych addytywnie, szczególnie konieczne jest sprawdzenie właściwości mechanicznych, ponieważ mogą one różnić się od właściwości obiektu formowanego lub wypalanego ze względu na strukturę warstw. Zwłaszcza w przypadku ceramiki, obrabiany przedmiot kurczy się znacznie po spiekaniu lub zastosowaniu dodatków i mogą istnieć różne źródła wad, które prowadzą do uszkodzenia materiału. Również w tym przypadku zwykle stosuje się dylatometr, a w niektórych przypadkach nawet analizę termomechaniczną (TMA), która jest w stanie precyzyjnie rejestrować mechaniczne właściwości materiału poprzez testy zginania, rozciągania i ściskania.
