Zusammenfassung3D-Geldruck (3DGP) ist eine neuartige Fertigungstechnologie, die 3D-Komponenten durch schichtweises Auftragen und Gelieren von Metallschlämmen aufbaut. Hierin wurde eine auf Hydroxyethylmethacrylat (HEMA) basierende Aufschlämmung mit einer Feststoffbeladung von 47–56 Vol.-% TP2T WC-20Co direkt durch 3DGP gebildet und dann in einem Vakuumofen gesintert. WC-20Co-Aufschlämmungen weisen ein geeignetes Fließ- und Strukturviskositätsverhalten auf, was für den 3DGP-Umformprozess vorteilhaft ist. Die Auswirkungen von 3DGP-Verarbeitungsparametern (wie Druckinnendurchmesser und Füllrate) auf die Oberflächenrauheit und Maßhaltigkeit von Druckrohlingen wurden untersucht. Die Auswirkungen der Feststoffbeladung auf die rheologischen Eigenschaften, Sinterdichte, Sinterdichte und mechanischen Eigenschaften von WC-20Co-Aufschlämmung wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Probe mit guter Form, mit angemessener Genauigkeit und gleichmäßiger Mikrostruktur gedruckt werden kann. Gesinterte Proben haben eine gute Formbeständigkeit und eine gleichmäßige Mikrostruktur. Die beste Probendichte, Härte und Querbruchfestigkeit waren 13,55 g / cm3, HRA 87,7 bzw. 2612,8 MPa. 3DGP hat einzigartige Vorteile bei der Near-Net-Formgebung von komplex geformten WC-20Co-Elementen. 1. EinleitungWC-Co-Hartmetall besteht aus harten WC-Partikeln, die in eine durchgehende Co-Matrix eingebettet sind, und ist einer der wichtigsten Metallmatrix-Verbundwerkstoffe. Sie werden heute vielfach als Bohr- und Schneidwerkzeuge, Stanzwerkzeuge, Verschleißteile und andere Spezialteile eingesetzt. Aufgrund der Unschmelzbarkeit von WC-Partikeln werden Hartmetalle üblicherweise unter Verwendung des Pulvermetallurgie-(PM)-Verfahrens hergestellt, bei dem ein Flüssigphasensintern von WC-Co-Pulverpresskörpern stattfindet. Die Formkomplexität des Produkts wird durch die Formstruktur stark eingeschränkt. Außerdem ist es aufgrund der hohen Härte und Festigkeits-Zähigkeits-Eigenschaften von WC-Co-Hartmetallen schwierig, WC-Co-Hartmetalle zu verarbeiten. Die Verwendung traditioneller Methoden zur Herstellung komplex geformter Hartmetallteile ist eine große Herausforderung. In den letzten Jahren wurde die Technologie der additiven Fertigung (AM) entwickelt, die für die Herstellung von endkonturnahen und komplexen Teilen geeignet ist, und auf die Herstellung mehrerer Metallmaterialien angewendet, z B. Edelstahl, Titan, Titanlegierungen und Aluminiumlegierungen (SLM). Direktes Metall-Lasersintern (DMLS), Elektronenstrahlschmelzen (EBM) usw. sind typische und etablierte Technologien. Laser Engineering Network Forming (LENS) kann komplexe Formen und fast vollständig dichte Teile herstellen. Bei diesen AM-Prozessen wird das Metallpulver durch einen Laser-/Elektronenstrahl Schicht für Schicht selektiv geschichtet, bis die Teile aufgebaut sind. Es gibt jedoch nur wenige Studien zur additiven Fertigung von WC-Co-Hartmetallen. Erstens besteht WC-Co-Hartmetall aus WC-Partikeln und einem Co-Matrixmaterial, und die Schmelzpunkte der beiden Materialien sind sehr unterschiedlich. Wenn das WC-Co-Pulver auf den Schmelzpunkt von Co erhitzt wird, verbleiben die WC-Partikel im festen Zustand; das Pulver wird weiter erhitzt und Co beginnt zu verdampfen. Teilweises Schmelzen verringert die Dichte des Produkts. Um dieses Problem zu lösen, versuchten einige Forscher, einige Bindemittel hinzuzufügen, wie z. B. Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt. Guet al. Cu-Pulver und WC-10Co-Pulver wurden in einem Gewichtsverhältnis von 60:40 gemischt, und Proben von 50 mm × 10 mm × 9 mm wurden unter Verwendung von DMLS hergestellt. Aufgrund der großen Cu-Menge erreichte die relative Dichte dieser Probe 94,31 TP2T. Zweitens stellen diese Pulverbettfusionstechnologien bestimmte Anforderungen an das verwendete Pulver. In den SLM- und EBM-Prozessen breiten sich Metallpulver durch die Walzen aus, während DMLS und LENS normalerweise mit einem synchronen Pulverzufuhrsystem ausgestattet sind. Um eine gleichmäßige und dünne Pulverschicht zu erhalten, benötigen beide Pulverzufuhrarten feines Pulver und kugelförmiges Pulver mit guter Fließfähigkeit. Im Handel erhältliches, unregelmäßig geformtes WC-Co-Pulver erfüllt diese Anforderungen nicht. Außerdem ist das Laser-/Elektronenstrahlheizen und -kühlen (dh das Sinterverfahren) sehr schnell. Nur wenige WC-Partikel können sich in der flüssigen Phase lösen. Unvollständiges Sintern kann die Produktleistung beeinträchtigen. Schließlich erfordern die obigen Techniken Hochvakuum- oder Inertgas-Schutzsysteme, die kostspielig sind und die Entkohlung und Verdampfung von Kobalt beinhalten. Bäret al. fanden heraus, dass das pulverförmige Ausgangsmaterial nicht genügend freien Kohlenstoff enthielt, um den Kohlenstoffverlust auszugleichen, der während des LENS-Prozesses auftrat. Obwohl die obigen Techniken viele komplexe Teile herstellen können, sind sie möglicherweise nicht für die Herstellung von WC-Co-Hartmetallen geeignet. Um die Einschränkungen der herkömmlichen Verfahren und die Probleme der oben erwähnten AM-Technologie bei der Herstellung von WC-Co-Hartmetallen zu lösen, wurde ein neues AM-Verfahren namens 3D-Geldruck (3DGP) vorgeschlagen. 3DGP kombiniert das Gel-Spritzgießen mit dem Fused Deposition Model (FDM) und hat die Fähigkeit, 3D-Modelle in 3D-Festkörper umzuwandeln. Abbildung 1(a) zeigt unser entworfenes 3DGP-Gerät. 1(b) zeigt eine vergrößerte Ansicht des Extrusions- und Abscheidungssystems der Vorrichtung. Zunächst wird das entworfene 3D-Modell in eine Reihe von 2D-Scheiben geschnitten. Die pulverförmige Aufschlämmung in der organischen Monomerlösung wird dann als "Tinte" verwendet und unter dem spezifischen Druck der Druckluft zum Schneckenextruder der 3D-GP-Anlage befördert. Gleichzeitig werden Initiator und Katalysator anteilig dem gleichen Schneckenextruder zugeführt. Die Materialien werden gründlich gemischt und durch eine Düse extrudiert und dann auf einer Druckplattform abgelegt. Nach kurzer Zeit sind die organischen Monomere vernetzt und das feste Pulver wird durch ein dreidimensional vernetztes Polymer an Ort und Stelle gehalten. Auf diese Weise wird die Aufschlämmung Schicht für Schicht selektiv abgeschieden, was mit jeder vorkonstruierten 2D-Schicht des 3D-Modells übereinstimmt. Schließlich wird ein Grünkörper mit dreidimensionaler Struktur erhalten. Um das Zusammenfallen des Grüns während des Druckvorgangs zu vermeiden, bleibt die Druckplattform stationär und der Druckkopf des 3DGP-Geräts kann sich entlang der X-, Y- und Z-Achse bewegen, was sich von dem herkömmlichen FDM-Gerät unterscheidet. Ähnlich wie herkömmliche FDM-Geräte hat das neue Gerät die Vorteile einer flexiblen Formgebung, einer einfachen Struktur und einer genauen Steuerung. Nach dem Trocknen wird der Grünkörper entfettet und in einem Vakuum- oder atmosphärischen Ofen gesintert. Abbildung 1 Schema von 3DGP: (a) 3D-Geldruckgerät, (b) vergrößerte Ansicht des Extrusions- und Abscheidungssystems, (c) Aufschlämmungsfilamente und (d) Abscheidung der Sericin-Filamente. Gelguss wurde verwendet, um verschiedene Metallmaterialien und Keramiken herzustellen, wie z. B. WC-8 wt%Co, 17-4PH-Edelstahl, Hochtemperaturlegierung, Al2O3, Si3N4, SiC und so weiter. Dies beweist, dass eine Vielzahl von Materialpulvern stabil in der organischen Monomerlösung dispergiert und suspendiert werden können, was bedeutet, dass 3DGP ein großes Potenzial zur Formung vieler Materialien hat, darunter Metalle, Metalllegierungen, Metallmatrix-Verbundstoffe und Keramiken. Die aktuelle Nachfrage nach komplexen Hartmetallteilen steigt stetig. WC-20Co ist ein typisches Hartmetall. In dieser Studie wurde eine WC-20Co-Aufschlämmung als druckbare Tinte verwendet, und die additive Fertigung der WC-20Co-Komponente wurde von 3DGP untersucht. Der Zweck besteht darin, WC-20Co-Verbundteile mit hoher Dichte und hohen mechanischen Eigenschaften herzustellen und die Machbarkeit und Praktikabilität von 3DGP bei der Endformung von WC-Co-Hartlegierungsteilen zu untersuchen.2. Vorbereitung2.1. Herstellung einer WC-20Co-Aufschlämmung Kommerzielles WC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2,7 &mgr;m und Co-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 46,5 &mgr;m wurden in dieser Arbeit verwendet. Die Fig. 2(a) und (b) zeigen das Aussehen von WC-Pulver bzw. Co-Pulver. Diese Rohmaterialien wurden unter Verwendung einer Kugelmahlmischung mit einem WC zu Co-Gewichtsverhältnis von 80:20 und einer Sinterkarbidkugel gemischt mit einem WC-20Co-Pulver in einem Gewichtsverhältnis von 5:1 gemischt. Abbildung 2(c) zeigt das WC-20Co-Verbundpulver nach 24-stündigem Mahlen. 2 Die Morphologie des Pulvermaterials: (a) WC-Pulver, (b) Co-Pulver und (c) WC-20Co-Verbundpulver. Um die Oxidation von Cobalt zu verhindern, wurden Nicht-Hydrogel-Systeme entwickelt. Als Lösungsmittel und organische Monomere wurden Toluol und Hydroxyethylmethacrylat (CH2=C(CH3)COOCH2CH2OH, HEMA) gewählt. Tabelle 1 listet die Gelsysteme auf, die für WC-20Co-Aufschlämmungen verwendet werden Benzoylperoxid (BPO) Dimethylanilin (TEMED) Die im Experiment verwendeten Reagenzien waren alle analytisch rein. Zuerst wurden HEMA (Monomer) und N,N'-Methylenbisacrylamid (Vernetzer) in einem Gewichtsverhältnis von 80:1 gemischt und dann in Toluol bei einer Konzentration von 501 TP2T pro Volumen HEMA gelöst, um eine Vorbehandlung vorzubereiten. Mischung. Als nächstes wurden Aufschlämmungen mit unterschiedlichen Feststoffbeladungen hergestellt, indem das WC-20Co-Pulver in der vorgemischten Lösung dispergiert wurde. Gleichzeitig wurde das Dispergiermittel Solsperse-6000 (ICI Co. USA, ungiftig) in einem bestimmten Anteil zugegeben. Diese WC-20Co-Suspensionen wurden dann 2 Stunden lang in einer Kugelmühle gemahlen, um eine gleichmäßige Aufschlämmung zu erhalten.2.2. 3D-Geldruckverfahren Die obige WC-20Co-Aufschlämmung wurde unter geeignetem Druck einem 3D-GP-Gerät zugeführt. Dabei werden drei Düsen mit Innendurchmessern von 0,5, 0,6 und 0,7 mm verwendet. Tabelle 2 listet die Druckbedingungen des 3DGP-Prozesses auf. Basierend auf diesen Druckparametern wurden am Beispiel eines Fasenschneiders einige rechteckige Proben hergestellt und analysiert, um die Genauigkeit und den Oberflächenzustand des 3DGP zu bestimmen. Nach dem 3D-Geldruckverfahren wurden die Grünkörper in einem Vakuumofen bei 60°C für 8 Stunden getrocknet. Der getrocknete Grünkörper wurde 1 Stunde bei 700°C entfettet und schließlich in einem Vakuum-Kohlerohrofen (Vakuum < 2 Pa) 1 Stunde bei 1360°C gesintert. Tabelle 2. Druckbedingungen für 3DGP. Nummerierung Druckbedingungen Düsendurchmesser Dicke Druckgeschwindigkeit1 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. Messen Die Viskosität der WC-20Co-Aufschlämmung wurde unter Verwendung eines NDJ-79-Rotationsviskosimeters bei 25°C getestet. Thermogravimetrische Analyse (TGA) und Differentialthermoanalyse (DTA) wurden verwendet, um den thermischen Gewichtsverlust und die Zersetzungskinetik von organischen Bindemitteln zu untersuchen, wenn die Heizrate 10 °C / min unter hochreinem Argonfluss betrug. Das archimedische Prinzip wurde verwendet, um die Gründichte und die Sinterdichte zu messen. Das konfokale Laser-Scanning-Mikroskop wurde verwendet, um die Oberflächenrauhigkeit, das Aussehen und die Querschnittsmorphologie des 3DGP-Grünkörpers zu beobachten. Das Aussehen des WC-20Co-Pulvers und die Mikrostruktur der grünen und gesinterten Proben wurden durch Rasterelektronenmikroskopie beobachtet. Die Härte der gesinterten Proben wurde unter Verwendung eines Rockwell-Härteprüfgeräts mit einem Diamantkegel und einer Last von 60 kg getestet. Der Biegetest von gesinterten Proben, die in 5 mm x 5 mm x 35 mm geschnitten wurden, wurde mit einer elektronischen Universaltestmaschine bei einer Belastungsgeschwindigkeit von 10 mm/min durchgeführt. Jeder Satz gemeldeter Daten basiert auf Attributen, die von 3 bis 5 Proben erhalten wurden.3. Ergebnisse und Diskussion3.1. Rheologisches Verhalten und Gelbildungsprozess der WC-20Co-Aufschlämmung Die Qualität der Aufschlämmung hängt von zwei Schlüsselfaktoren ab: Feststoffbeladung und Viskosität. FEIGE. 3 zeigt die Auswirkung der Feststoffbeladung auf die Viskosität der WC-20Co-Aufschlämmung bei einer Schergeschwindigkeit von 20 s –1 . Die Viskosität der Aufschlämmung steigt mit der Feststoffbeladung. Im Gegensatz zu den Viskositätsanforderungen des Gel-Spritzgießens (normalerweise < 1 Pa·s) kann beim 3DGP-Prozess eine höhere Viskosität (dh ein höherer Feststoffgehalt) verwendet werden. Die 3DGP-Paste muss nicht in eine Form gefüllt werden, sondern muss lediglich eine gewisse Fließfähigkeit (meist < 3 Pa·s) aufweisen, damit sie durch die Düse extrudiert werden kann. Eine übermäßige Viskosität kann jedoch die Extrusion von WC-20Co-Paste behindern. Beispielsweise ist eine Aufschlämmung mit einem Feststoffgehalt von 59 vol% zu viskos, um extrudiert zu werden. In dieser Studie wurden vier verschiedene feststoffbeladene WC-20Co-Aufschlämmungen direkt von 3DGP gedruckt: 47, 50, 53 und 56 vol%. Abbildung 3. Auswirkung der Feststoffbeladung auf die Viskosität von WC-20Co-Paste. 20Co-Aufschlämmung weist pseudoplastische Fluideigenschaften auf. Wie in Fig. 4 gezeigt, nimmt die Viskosität der WC-20Co-Aufschlämmung mit zunehmender Schergeschwindigkeit deutlich ab, was auf ein Strukturviskositätsverhalten hindeutet. Dies weist darauf hin, dass die WC-20Co-Aufschlämmung bei hohen Schergeschwindigkeiten, die durch Luftdruck und Rühren verursacht werden, fließen kann und bei einem bestimmten Druck durch eine Düse mit kleinem Durchmesser extrudiert werden kann. Sobald die Aufschlämmung extrudiert ist und die Scherkraft verschwindet, behalten die Aufschlämmungsfilamente ihre Form bei, anstatt sich während einer kurzen Leerlaufzeit vor der Verfestigung auszubreiten. Diese Scherentzähungseigenschaft ist sehr günstig für die Extrusion und Abscheidung von WC-20Co-Aufschlämmungen im 3DGP-Prozess. Abbildung 4. Beziehung zwischen scheinbarer Viskosität und Schergeschwindigkeit für WC-20Co-Aufschlämmungen. Zwischen der Zugabe des Katalysators Dimethylanilin gibt es eine Leerlaufzeit (TEMED) und dem Initiator Benzoylperoxid (BPO) und dem Einsetzen der Gelierung (Vernetzungspolymerisation). Die Optimierung der Freizeit ist ein Kernpunkt von 3DGP. In der richtigen Leerlaufzeit kann die Schnecke des Extrusionssystems die WC-20Co-Aufschlämmung, den Katalysator und den Initiator stark rühren und sicherstellen, dass die Vernetzungspolymerisation des HEMA-Monomers nach der Extrusion und Abscheidung der Aufschlämmung schnell erfolgt. Vor dem Drucken der nächsten Schicht sollte die vorherige Schlickerschicht eine ausreichende Festigkeit aufweisen, damit der Grünkörper seine Form behält und seinem eigenen Gewicht standhält. Die Vernetzungspolymerisation von HEMA ist eine exotherme Reaktion, daher werden kundenspezifische Instrumente mit einem Thermometer verwendet, um die Leerlaufzeit zu bestimmen. In unserer früheren Arbeit fanden wir einen signifikanten Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit des TEMED-Katalysators, die TEMED-Konzentration betrug 10 mmol/L, wenn die Vernetzungsreaktion auftritt, wenn die Stabilität auftritt. Im Gegensatz zu der bemerkenswerten Wirkung des Katalysators ist es bequemer, die Leerlaufzeit und die Polymerisationsgeschwindigkeit durch Einstellen der Konzentration des Initiators zu optimieren. Nach Zugabe zur WC-20Co-Aufschlämmung zerfällt der Initiator BPO in freie Radikale, wodurch die Polymerisationsreaktion erfolgreich initiiert wird. 5 zeigt die Auswirkung der Initiatorkonzentration auf die Totzeit einer WC-20Co-Aufschlämmung mit einem Feststoffgehalt von 561 TP2T nach Volumen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Gelierung der WC-20Co-Aufschlämmung kontrollierbar ist. Die Ruhezeit nimmt mit zunehmender Initiatorkonzentration ab. Bei einer Initiatorkonzentration von 40 mmol / L beträgt die Ruhezeit > 20 min. Als jedoch die Initiatorkonzentration auf 70 mmol/l anstieg, verringerte sich die Leerlaufzeit auf etwa 5 Minuten. Wenn die Konzentration 100 mmol / L überschreitet, ist die minimale Leerlaufzeit der Auswirkung. Ähnliche Muster gelten für Schlämme mit unterschiedlichem Feststoffgehalt. Nach den Ergebnissen wiederholter Experimente präsentiert Initiator (90 mmol/L) die optimale Dosierung. Während dieser optimalen Entlastungsperiode (etwa 2 Minuten) wurde die WC-20Co-Aufschlämmung mit einer bestimmten Menge an Katalysator und Initiator in einem Schneckenextruder gemischt und dann durch eine Düse extrudiert und schließlich in 20 Sekunden ausgehärtet. 5 Wirkung der Initiatorkonzentration auf die Leerzeit der WC-20Co-Aufschlämmung3.2. Charakterisierung des Grünkörpers Die WC-20Co-Aufschlämmung wurde durch eine herkömmliche Düse extrudiert und aufgrund des Barus-Effekts (extrudierte Expansion) war der Durchmesser des Aufschlämmungsfilaments etwas größer als der Innendurchmesser der Düse. Wie in Fig. 1(c) gezeigt, werden, nachdem das Aufschlämmungsfilament auf der Druckplattform abgelegt wurde, seine eigene Schwerkraft, seine rheologischen Eigenschaften und sein leichter Kontakt mit der Düse halbelliptisch, wie in Fig. 1(c) gezeigt. Durch die Steuerung der Ruhezeit kann die Druckpaste schnell aushärten und ausreichend stark sein, bevor die nächste Schicht extrudiert wird. 1(d) ist ein Schema des 3DGP-Abscheidungsprozesses. Die Filamente aus WC-20Co-Aufschlämmung werden über Kreuz gestapelt, und die nächste Schicht füllt den Hohlraum der vorherigen Schicht. Aufgrund des oben erwähnten Barus-Effekts ist es notwendig, die richtige Füllrate zu wählen. Die Auswirkung der Füllrate ist in Abbildung 6 dargestellt. Drei verschiedene Füllratenproben wurden mit einer 0,7-mm-Düse und einer WC-20Co-Paste mit 56 vol%-Feststoffen gedruckt. Wenn die Füllrate 100% beträgt, häuft sich die WC-20Co-Aufschlämmung an, verformt sich und beschädigt dann die Form des Produkts. Andererseits, wie in der in FIG. 6(a) führt die niedrige Füllrate zu einer niedrigen Dichte des Grünkörpers. Bei einer Füllrate von 92% formte sich der Grünkörper gut. Die geeignete Füllrate wird basierend auf den rheologischen Eigenschaften der Aufschlämmung und der Düsengröße ausgewählt. Abbildung 6 Grünmuster mit unterschiedlichen Füllraten: (a) 84%, (b) 92% und (c) 100%. Der Innendurchmesser der Düse beeinflusst die Dicke der abgeschiedenen Schicht und bestimmt letztlich die Oberflächenrauhigkeit und Maßhaltigkeit des Grünkörpers. Um dies zu veranschaulichen, wurden mehrere Proben von 3DGP unter Verwendung von Düsen mit unterschiedlichen Durchmessern und einer WC-20Co-Aufschlämmung mit einer Feststoffbeladung von 56 vol% hergestellt. Ihre Schichtdicke, Oberflächenrauheit, Form und Größe wurden gemessen, um die 3DGP-Umformgenauigkeit zu berechnen. Die Schichtdicke und Oberflächenrauhigkeit der bedruckten Proben wurden mittels konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie untersucht. FEIGE. 7 ist eine Seitenansicht eines Grünkörpers, der durch 3DGP unter Verwendung von drei Düsen mit Innendurchmessern von 0,5, 0,6 und 0,7 mm erhalten wurde. Dies weist darauf hin, dass die Aufschlämmungsfilamente ihre Form beibehalten und mit der Zeit aushärten, mit guter Bindung zwischen den Schichten. Tabelle 3 zeigt die Schichtdicke, Oberflächenrauhigkeit und Abmessungen des gedruckten Grünkörpers. Die Ergebnisse der gemessenen Schichtdicken (0,355 mm, 0,447 mm bzw. 0,552 mm) stimmen mit den in Tabelle 2 gezeigten Einstellungen des 3DGP überein. Mit zunehmendem Düsendurchmesser nimmt die Oberflächenrauhigkeit der bedruckten Probe zu. Wenn eine rechteckige Parallelepiped-Probe unter Verwendung einer Düse mit einem Innendurchmesser von 0,5 mm bedruckt wurde, wurde eine Oberflächenrauhigkeit (Ra) von 8,13 ± 0,6 &mgr;m erhalten. Wenn der Innendurchmesser der Düse auf 0,7 mm erhöht wurde, hatte die Probe eine Oberflächenrauhigkeit (Ra) von 19,98 ± 0,9 &mgr;m. Wie aus Tabelle 3 ersichtlich, sind alle diese gedruckten Rohlinge etwas größer als das dreidimensionale Modell, werden aber während des Trocknungsprozesses etwas kleiner und liegen somit näher am Modell. 8 zeigt eine getrocknete rechteckige Probe, die unter Verwendung einer 0,5-mm-Düse und einer WC-20Co-Aufschlämmung mit einer Feststoffbeladung von 56 vol% gedruckt wurde. Wie in Abbildung 8(b) gezeigt, wies die Oberfläche der 3DGP-Bulit-Probe keine offensichtlichen Poren, Splitter und Verzugsdefekte auf. Auf der Oberfläche der quaderförmigen Probe sind noch die Liniendruckmarken sichtbar. Die Ergebnisse zeigen, dass das 3DGP-Gerät eine gute Formgebungsfähigkeit hat und die Verwendung feiner Düsen zur Probenvorbereitung zu einer geringeren Oberflächenrauheit und einer höheren Maßhaltigkeit führt. 8(e) zeigt einen Querschnitt einer grünen, trockenen Probe mit geringer Vergrößerung. Es gibt keine Grenzfläche zwischen der Druckschicht und den Linien innerhalb der grünen Probe. Obwohl die WC-Co-Paste Schicht für Schicht einzeln gedruckt wird, sind die Benetzungs- und Ausbreitungseigenschaften der Paste gut und die Füllrate angemessen, so dass der Draht und die Schicht eine ausgezeichnete Haftung haben. Außerdem tritt an diesen Grenzflächen während der Druck- und Trocknungsschritte und der festen Verbindung der Drähte und Schichten immer noch eine Vernetzungspolymerisation von HEMA auf. Aus dem REM-Bild (Fig. 8(f)) ist ersichtlich, dass die Grünprobe eine einheitliche Mikrostruktur aufweist und die WC-Co-Partikel gleichmäßig verteilt sind. Darüber hinaus werden die Partikel dicht vom Gelpolymer bedeckt und an Ort und Stelle fixiert. Abbildung 7: Aussehen der Seitenfläche und Schichtdicke von Grünkörpern verschiedener Düsen, die durch 3DGP gebildet wurden: 0,5-mm-Düse, (b) 0,6-mm-Düse und (c) 0,7 mm Düse. Tabelle 3. Schichtdicke, Oberflächenrauhigkeit und Abmessungen der so gedruckten Grünkörper und Abmessungen getrockneter Grünkörper. (Das 3D-Modell ist 40 mm × 20 mm × 20 mm groß.)Abb. 8. Die quaderförmige Probe, die mit 3DGP unter Verwendung einer 0,5-mm-Düse und einer WC-20Co-Aufschlämmung mit einer Feststoffbeladung von 56 vol% gedruckt wurde: (a) dreidimensionales Modell, (b) getrockneter Grünkörper, (c) gesinterte Probe, (e) Kreuz Schnitt des getrockneten Grünkörpers bei geringer Vergrößerung und (f) Mikrostrukturen des getrockneten Grünkörpers. Die Feststoffbeladung beeinflusst die Dichte des Grünkörpers. Wie in FIG. Wie in 9 gezeigt, steigt die Gründichte mit zunehmender Feststoffbeladung der Aufschlämmung an, wenn eine geeignete Düse ausgewählt und eine geeignete Füllrate ausgewählt wird. Bei einer Feststoffbeladung von 56 vol% betrug die Gründichte 7,85 g/cm3. Die Verwendung von Aufschlämmungen mit hohem Feststoffgehalt erleichtert die Herstellung von Grünlingen mit hoher Dichte und verringert die Schrumpfung während des Trocknens und Sinterns, was das Erreichen von homogenen und hochpräzisen Sinterteilen mit hoher Dichte erleichtert. Unter der Prämisse einer angemessenen Viskosität ist es notwendig, die Feststoffbeladung so weit wie möglich zu erhöhen. Abbildung 9. Rohdichte und Sinterdichte von 3D-GP-Proben mit unterschiedlichen WC-20Co-Feststoffbeladungen.3.3. Gesinterte Probe Der 3DGP-Prozess basiert auf der In-situ-Polymerisation von organischen Monomerbindern und FDM. Vor dem Sintern sollte sich das grüne Gelpolymer (organischer Binder) zersetzen und ausbrennen. Um die Kinetik der thermischen Zersetzung von organischen Bindemitteln zu untersuchen, wurden grüne Proben, die unter Verwendung einer WC-20Co-Aufschlämmung mit einer Feststoffbeladung von 56 Vol.1 TP2T gedruckt wurden, durch TG und DTA in einer strömenden Argonatmosphäre bei einer Heizrate von 10°C/min getestet. . Wie in Abbildung 10 gezeigt, ist die grüne Probe aufgrund der Verdampfung von Toluol endotherm und wird bei niedrigen Temperaturen (<100 °C) heller. Die DTA-Kurve zeigt eine starke Exothermie bei etwa 450°C. Entsprechend dem exothermen Peak zeigt der Grünkörper einen deutlichen Gewichtsverlust zwischen 300°C und 500°C. Beim Erhitzen auf 600°C verlor die grüne Probe 3,08 wt%. Nach Berechnung betrug der organische Gehalt der getrockneten grünen Probe 3,021 TP2T nach Gewicht. Wenn die Temperatur höher als 600°C ist, ändert sich das Gewicht des Grünkörpers kaum. Die Ergebnisse zeigen, dass das grüne Polymergel nach dem Erhitzen auf etwa 600°C vollständig ausgebrannt ist. Aufgrund des geringen Gehalts an organischen Bindemitteln müssen 3DGP-gedruckte Grünmuster nur thermisch entfettet werden. 3DGP kann großformatige Komponenten formen. Die WC-20Co-Probe wurde unter Berücksichtigung der Ofentemperaturverzögerung eine Stunde lang bei 700°C geglüht. In ABB. 8(c) kann deutlich beobachtet werden, dass die Schrumpfung der 3DGP-hergestellten Probe während des Sinterns gleichmäßig ist. Die gesinterte Probe behält ihre Form ohne Verzug und weist keine Defekte auf der Oberfläche auf.Abbildung 10. DTA-Kurve und TG-Kurve einer 3DGP-Probe mit einer Heizrate von 10 °C/min. Mit zunehmender Feststoffbeladung nimmt die Sinterdichte der 3DGP-Beispiel erhöht. Genauso wie die Dichtedaten in FIG. In 9 zeigte eine Probe, die unter Verwendung einer WC-20Co-Aufschlämmung mit einer Feststoffbeladung von 56 Vol.-1 TP2T gedruckt wurde, eine maximale Dichte von 13,55 g/cm3, was 99,931 TP2T der theoretischen Dichte erreichte. Wenn jedoch die Feststoffbeladung auf 471 TP2T nach Volumen reduziert wurde, betrug die Sinterdichte nur 12,01 g/cm 3 (88,581 TP2T der theoretischen Dichte). Der Effekt der Feststoffbeladung spiegelt sich auch in der Mikrostruktur der gesinterten Probe wider. Bei einer Feststoffbelastung von bis zu 561 TP2T nach Volumen zeigt das SEM-Bild (Abbildung 11(a)) eine gesinterte Probe mit nahezu vollständiger Verdichtung ohne beobachtete Risse oder Hohlräume. Wenn der Feststoffgehalt niedrig ist, mit anderen Worten, der Lösungsmittelgehalt und der Gehalt an organischem Bindemittel hoch sind, verursachen das Verdampfen des Lösungsmittels und das Ausbrennen des organischen Bindemittels viele Hohlräume, was die Sinterverdichtung behindert. FEIGE. 11(b) zeigt, dass, wenn die Feststoffbeladung der WC-20Co-Aufschlämmung auf 531 TP2T nach Volumen reduziert wird, einige kleine Löcher in der gesinterten Probe vorhanden sind. Eine große Anzahl von Hohlräumen kann in Fig. 1 beobachtet werden. 11(c) veranschaulicht die Mikrostruktur einer Probe, die unter Verwendung einer WC-20Co-Aufschlämmung mit einer Feststoffbeladung von 501 TP2T nach Volumen gedruckt wurde. Wie in FIG. 11(d) erscheinen mehr und mehr Löcher, wenn die feste Last weiter reduziert wird. Während des Entfettens und Sinterns ist nicht genügend flüssige Phase vorhanden, um die durch das Lösungsmittel und den organischen Binder hinterlassenen Poren zu füllen. Dies führte zu einer geringen Dichte und einer großen Anzahl von Hohlräumen in den Proben, die mit WC-20Co-Paste mit einer Feststoffbeladung von 471 TP2T nach Volumen gedruckt wurden. und (d) 47 vol% WC-20Co-Aufschlämmung durch ein 3DGP-gedrucktes SEM-Bild einer gesinterten Probe. Fig. 12 zeigt die Änderung der Härte gesinterter Proben als Funktion der Feststoffbeladung der WC-20Co-Aufschlämmung. Bei einer Feststoffbeladung von 47% nach Volumen beträgt die Härte (HRA) nur 84,5. Ein niedriger Feststoffgehalt führt zu einer niedrigen Sinterdichte (hohe Porosität), was die mechanischen Eigenschaften der Probe erheblich verringert. Mit zunehmender Feststoffbeladung nimmt die Härte deutlich zu. Proben, die mit einer WC-20Co-Aufschlämmung mit einer Feststoffbeladung von 56 vol% gedruckt wurden, haben eine maximale Härte (HRA) von 87,7. Abbildung 12. Härtewerte von gesinterten Proben mit verschiedenen WC-20Co-Feststoffbeladungen die gesinterte Probe. Wie in Abbildung 13 gezeigt, wurde beobachtet, dass die Biegefestigkeit der Probe mit zunehmender Feststoffbeladung zunahm. Das Bruchbild und die Mikrostruktur der Probe (Abbildung 14) bestätigten dies ebenfalls. Wie in FIG. 14(b), (c) und (d) gezeigt, hatte die Probe eine sehr geringe Biegefestigkeit, und viele Löcher wurden durch geringe Feststofflasten von 53%, 50% und 47% nach Volumen verursacht. Trotz vorhandener Poren ist zu erkennen, dass die WC-Partikel gleichmäßig verteilt sind und kein anormales Wachstum auftritt. Proben, die mit einer Aufschlämmung mit hohem WC-20Co-Gehalt (56 vol%) hergestellt wurden, hatten eine Querbruchfestigkeit von 2612,8 MPa. Abbildung 13. Biegefestigkeit von gesinterten Proben mit unterschiedlichen WC-20Co-Feststoffbelastungen unter Verwendung von Aufschlämmungen mit unterschiedlichen Feststoffbelastungen: (a) 56 vol%, (b) 53 vol%, (c) 50 vol% und (d) 47 vol%. Abbildung 15 zeigt einen Gehrungsschneider (Durchmesser 52 mm), der aus 3DGP hergestellt und bei 1360 gesintert wurde °C. Beim Sintern schrumpft es gleichmäßig. Daher hat das Fasenfräsen eine gute Formbeständigkeit. Die mechanischen Eigenschaften von 3DGP-gedruckten Proben ähneln den mechanischen Eigenschaften von Proben, die mit herkömmlichen Druckpressen und Sintertechniken hergestellt wurden. 3DGP ist ein fortschrittlicher Near-Net-Forming-Prozess, der komplexe Formen ohne Form formen kann (freies Formen). Gedruckte Linien können auf einer abgeschrägten Oberfläche betrachtet werden. Mit 3DGP hergestellte Teile müssen vor der Verwendung poliert und endbearbeitet werden. Die Formgeschwindigkeit von 3DGP ist immer noch sehr langsam. Es dauert 2 Stunden und 46 Minuten, um Fasenfräsen zu drucken. Als nicht formgebender Prozess überwindet 3DGP die Beschränkungen komplexer Formen und vereinfacht den Prozessablauf. Mit der Entwicklung von Technologie und Ausrüstung werden Formgenauigkeit und Formgeschwindigkeit allmählich zunehmen. 3DGP bietet eine neue Methode für die Endformung von WC-Co-Hartmetallkomponenten. Abbildung 15. Mit 3DGP gedruckter abgeschrägter Fräser.4. SchlussfolgerungDie WC-20Co-Verbundkomponente wurde durch ein neues AM-Verfahren namens 3D-Geldruck, bei dem die WC-20Co-Aufschlämmung selektiv Schicht für Schicht aufgetragen wird, erfolgreich in einer nahezu endgültigen Form hergestellt. Die folgenden Schlussfolgerungen können gezogen werden: (1) Aufschlämmungen mit geeigneten rheologischen Eigenschaften können unter Verwendung von unregelmäßig geformtem WC-20Co-Verbundpulver und Toluol-HEMA-Gelsystemen hergestellt werden. Scherverdünnungsverhalten und kontrollierte Gelierreaktion machen WC-20Co-Aufschlämmung geeignet für 3DGP-Verfahren. (2) 3DGP kann zur Herstellung komplexer Grünkörper verwendet werden. Die Verwendung feiner Düsen trägt dazu bei, die Formgenauigkeit des 3DGP zu verbessern und die Oberflächenrauheit der Probe zu verringern. Die Packungsrate sollte basierend auf der Rheologie der Aufschlämmung und der Düsengröße ausgewählt werden. Die bedruckte Probe hat eine gute Form und eine Oberflächenrauhigkeit von 8,13 ± 0,6 µm. Der geringe Bindemittelgehalt des Grünlings ermöglicht es 3DGP, großformatige Komponenten herzustellen. (3) Die Erhöhung der Feststoffbeladung der WC-20Co-Aufschlämmung führte zu Verbesserungen der Aufschlämmungsviskosität, Gründichte, Sinterdichte und mechanischen Eigenschaften der gesinterten Probe. Die gesinterte Probe, die unter Verwendung von 56 vol% WC-20Co-Aufschlämmung gedruckt wurde, hat eine Dichte von 13,55 g/cm 3 (99,931 TP2T der theoretischen Dichte), eine Härte von 87,7 (HRA) und eine Biegefestigkeit von 2612,8 MPa. Darüber hinaus ist die Mikrostruktur gleichmäßig mit feinen und gleichmäßigen WC-Körnern. Referenz: Xin yue Zhang, Zhi, meng Guo, Cun guang Chen, Wei wei Yang. Additive Fertigung von WC-20Co-Komponenten durch 3D-Geldruck. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Band 70, Januar 2018, Seiten 215-223
Quelle: Meeyou Carbide

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