İçindekiler
3D baskılı seramiklerin termal analizi
Seramikler endüstrinin birçok alanında kullanılmaktadır. Kural olarak, seramikler önce hammaddeden yeşil bir gövde olarak kalıplanır, daha sonra bu “yeşil gövde” sertleştirmek ve nihai şeklini vermek için özel bir şekilde (sinterleme olarak bilinir) işlenir ve pişirilir.
Sektöre bağlı olarak bu, basit çanak çömlek, dekorasyon veya sıhhi tesisat olabileceği gibi protezler veya çeşitli teknik bileşenler gibi teknik seramikler de olabilir. Bir seramik iş parçası genellikle ilk mekanik işlemden sonra bir fırında pişirilir. 900°C ile 1400°C arasındaki sıcaklıklara maruz bırakılır.
Bu, seramiğin pişirilmesi sırasında kimyasal reaksiyonları kontrol etmek ve su buharı, karbondioksit ve diğer katkı maddelerinin gazdan arındırılmasını kontrol etmek için belirli bir zaman aralığında sürekli artan bir sıcaklıkta ve aynı zamanda kesin olarak tanımlanmış izotermal aralıklarla ısıtılarak yapılır. İlk pişirimden sonra genellikle seramiğe bir sır uygulanır ve ardından iş parçası tamamen sertleşmesi için tekrar pişirilir.
Tüm süreç birkaç saat sürer ve bu nedenle önemli miktarda zaman gerektirir. Buna ek olarak, iş parçasının pişirildikten sonra fırından hasarsız çıkacağı garanti edilemez; seramikte kırılma veya çatlaklara yol açabilecek çeşitli hatalar (malzeme eksikliği, yanlış pişirme işlemi vb.) meydana gelebilir.
Çok çeşitli seramik bileşenleri pişirmek için daha modern ve daha basit bir çözüm, eklemeli üretimdir. Seramik söz konusu olduğunda, bu genellikle 3D baskı olarak adlandırılır. Bu, üç boyutlu nesneler oluşturmak için malzemenin katman katman uygulandığı bir üretim sürecidir.
Oluşturma genellikle bilgisayar destekli tasarımdır (CAD) ve belirlenen boyutlara ve şekillere göre başlangıç malzemesi olarak bir veya daha fazla sıvı veya katı malzeme kullanılır. Baskı işlemi yoluyla biriktirme sırasında, kimyasal kürleme veya eritme işlemleri gerçekleşir genellikle sıcaklık veya lazer ile kontrol edilir. Bir model için 3D tarayıcı kullanmak bile mümkündür.
Bu yöntemin geleneksel fırınlama işlemlerine göre avantajı açıktır: seramiğin katman katman uygulanması, fırınlama işlemi sırasında kırılma riskinin özellikle yüksek olacağı karmaşık ve karmaşık yapıların üretilmesine olanak tanır. Ayrıca, katkılı sinterlenmiş veya 3D baskılı bir iş parçası, fırında pişirme işlemi gerekli olmadığından çok daha hızlı bir şekilde üretilebildiğinden, muazzam miktarda zaman tasarrufu sağlar.
Kesme, tornalama ve delme gibi tüm malzeme çıkarma işlemleriyle karşılaştırıldığında 3D baskı, ana kalıptan sonraki ek işleme adımını ortadan kaldırma avantajına sahiptir. Çoğu durumda, özellikle malzemenin gerekli boyut ve kütlede yalnızca bir kez oluşturulması gerekiyorsa, süreç enerji açısından da daha verimlidir. Farklı malzemelerin tek bir makinede işlenebilmesi de avantajlıdır.
Başlangıçta, 3D baskı süreci ilk olarak poli̇mer endüstri̇si̇ Çünkü plastiklerin eritilmesi ve işlenmesi kolaydır ve sinterleme veya kürleme gerektirmez. Yumuşama noktasının hemen üzerinde ısıtılarak ve basılan filament hızla soğutularak yapılar gerçek zamanlı olarak oluşturulabiliyordu. Bununla birlikte, süreç hızla gelişti, böylece sadece çeşitli polimerler değil, metaller ve seramikler de artık basılabiliyor ve 3D baskıyı üretim için çok yönlü bir seçenek haline getiriyor.
Katmanlı üretim süreçleri yedi ana kategoriye ayrılabilir ve artık çeşitli standartlarda (DIN EN ISO/ASTM 52900, eski adıyla ASTM F2792) ayrıntılı olarak açıklanmaktadır:
- Cilt çıktısı
- Malzeme çıktısı
- Toz yatağı füzyonu
- Malzeme ekstrüzyonu
- Vat fotopolimerizasyon
- Hedefli enerji birikimi
- Levhaların laminasyonu
Aralarındaki temel fark, parçaları üretmek için katmanların uygulanma şekli ve hangi malzemelerin kullanıldığıdır. Makine ve 3D baskı işleminin seçimindeki en önemli faktörler hız (nesnenin boyutuna bağlı olarak) ve maliyettir (malzeme ve makine için). Genel olarak malzemeler: metal, seramik, plastik.
Katmanlı imalat teknolojisinin ana uygulama alanı hala araştırma ve her şeyden önce endüstride ürün geliştirme ve prototip yapımıdır. Özel aletler gerekmediğinden ve çizimden modele dönüşüm çok hızlı bir şekilde gerçekleştirilebildiğinden, modellerin, prototiplerin, aletlerin veya belirli ürünlerin üretimi için idealdir.
Diğer uygulama alanları arasında, özel olarak özelleştirilmiş protezlerin ve implantların (özellikle diş hekimliğinde) genellikle ölçüye göre yapılması gereken tıbbi teknoloji yer almaktadır. Bununla birlikte, heykel ve sanat gibi daha sıra dışı uygulama alanları da heykel üretimi için eklemeli üretimden faydalanmaktadır. Süreçler ve yazıcılar artık seri üretime hazır olduğundan ve nispeten düşük maliyetle halkın kullanımına sunulduğundan, 3D yazıcılar artık özel amaçlar için de kullanılabilir. Evlerde oyuncaklar, yedek parçalar veya küçük tutucular gibi plastik ürünler kolayca ve fazla ön bilgi gerektirmeden üretilebilir.
Seramikler için aşağıdaki 3D baskı yöntemleri kullanılmaktadır:
- Seçici lazer sinterleme (SLS) gibi toz yatağı füzyon süreçleri.
- Bu işlem genellikle polimerleri, seramik tozlarını veya metalleri basmak için kullanılabilir. Malzeme tozu, katman katman tamamen yoğun malzemeler üretmek için yüksek enerjili bir lazerle eritilir. İnce bir toz tabakası bir nozül kullanılarak bir tepsi üzerine bırakılır. Daha sonra bir lazer tozu yerel olarak sinterlemeye başlar ve ilk katmanı oluşturur. Bunun bir varyasyonu da 3D mürekkep püskürtmeli baskıdır. Burada, mürekkep püskürtmeli baskıya benzer bir işlem kullanılarak parçanın enine kesitinde bir toz tabakası (alçı veya reçine) üzerine bir bağlayıcı basılır. Toz yatağı füzyon tekniklerinin bir avantajı, fazla tozun basılı nesne için bir taşıyıcı görevi görmesidir.
- Kaynaşmış biriktirme modellemesinde (FDM) veya kaynaşmış filament üretiminde (FFF), istenen seramiğin küçük parçacıkları işlenir.
- Bunun işe yaraması için filamentte, genellikle seramik tozunu bir arada tutan özel bir plastik olan belirli bir bağlayıcı kullanılır.
- Filament daha sonra sıvılaşacak ve tıpkı geleneksel bir plastik filament gibi basılabilecek kadar ısıtılır. Buradaki seramik taneciklerinin çapı yaklaşık 1-2 µm’dir.
- Sonuç olarak, plastik ile baskı yapılırken doğrudan nozülden çıkarlar ve istenen katmanlar doğrudan basılabilir.
- Sadece tozu bir arada tutan ve taşıyan plastik bu işlem sırasında erir ve böylece bir bağlayıcı madde görevi görür.
- Sonunda, basılı bir kalıp oluşturulur, ancak hala esasen seramik tozundan oluşur ve katı bir seramik gövde değildir.
- Bu henüz nihai ürün değil, üzerinde hala çalışılması gereken yeşil bir ürün.
- Son olarak, plastiğin bir kısmı özel bir işlem kullanılarak çıkarılır. Bunu, iş parçasının özel bir fırında yüksek sıcaklıklara ve kimyasal maddelere maruz bırakıldığı sinterleme işlemi takip eder.
- Seramik parçalar birbirine bağlanır ve plastik tamamen çıkarılır. Bu, FDM’nin sonuçta orijinal seramik fırınlama işlemine çok benzediği anlamına gelir, çünkü yalnızca bir fırınlama adımı kaydedilir, ancak ikincisinin hala gerçekleştirilmesi gerekir.
Bir 3D yazıcıda kullanılacak malzeme için doğru koşullar, erime sıcaklığı ve malzemenin sıcaklık altında nasıl genleştiği veya hangi termal iletkenliğin mevcut olduğu gibi sıcaklık davranışına bağlıdır. Bu nedenle, 3D baskı için kullanılan malzemelerin termal özelliklerini kapsamlı bir şekilde test etmek mantıklıdır. Aşağıdaki cihazlar bu testler için uygundur:
- Klasik ile dilatometri (DIL) katıların ve tozların termal doğrusal genleşmesini ve sinterleme davranışını kapsamlı bir şekilde araştırmak için kullanılabilir. Bu da dilatometrinin artık seramik üretiminde standart bir prosedür olduğu anlamına gelmektedir.
- Buna ek olarak, termal iletkenliği analiz etmek için çeşitli yöntemler, iş parçasındaki sıcaklık dağılımını ve iletimini simüle etmek ve kontrol etmek için kullanışlıdır. Buradaki en yaygın yöntemler, aşağıdaki gibi flaş teknikleridir lazer flaş yöntemi (LFA) Bu yöntemde katıların veya tozların sıcaklığı ve termal iletkenliği yüksek enerjili bir ışık parlaması kullanılarak ölçülebilir. Ayrıca aşağıdaki gibi sıcak tel yöntemleri de vardır geçici sıcak köprü (THB)Bu da oda sıcaklığında nispeten hızlı bir şekilde güvenilir ısı transferi değerleri sağlayabilir. Macunlar ve tozlar için Trans Arayüz Malzeme Test Cihazı (TIM)bir modifikasyon Korumalı Sıcak TabakFarklı kütle yoğunluklarını ve termal taşıma özelliklerinde ortaya çıkan değişiklikleri ölçebilen yöntem.
Bir bileşen üretildikten sonra, termal ve mekanik özellikler açısından bileşenin gereksinimlerini belirlemek ve bunları sürece özel olarak uyarlanmış bir tasarımla geliştirmek önemlidir. Bu normalde bileşeni üretmek için kullanılan üretim sürecinden bağımsız olarak geçerlidir. Bununla birlikte, katkılı olarak üretilen bileşenler söz konusu olduğunda, katman yapısı nedeniyle kalıplanmış veya fırınlanmış bir nesneden farklı olabileceğinden, mekanik özelliklerin kontrol edilmesi özellikle gereklidir. Özellikle seramikler söz konusu olduğunda, iş parçası sinterleme veya katkı maddesi uygulamasından sonra büyük ölçüde küçülür ve malzeme arızasına yol açan çeşitli kusur kaynakları olabilir. Burada da genellikle bir dilatometre ve hatta bazı durumlarda bükme, çekme ve sıkıştırma testleri yoluyla mekanik malzeme özelliklerini hassas bir şekilde kaydedebilen termo-mekanik analiz (TMA) kullanılır.
