Zestaw WC-20Co z węglika spiekanego wykonany z dodatkami 3D do drukowania żelowego

Druk żelowy Abstract3D (3DGP) to nowatorska technologia produkcji, która tworzy komponenty 3D poprzez osadzanie i żelowanie zawiesin metali warstwa po warstwie. Tutaj zawiesinę na bazie metakrylanu hydroksyetylu (HEMA) o obciążeniu stałym 47-56 obj.% WC-20Co utworzono bezpośrednio przez 3DGP, a następnie spiekano w piecu próżniowym. Zawiesiny WC-20Co wykazują odpowiednią płynność i rozrzedzenie przy ścinaniu, co jest korzystne w procesie formowania 3DGP. Zbadano wpływ parametrów przetwarzania 3DGP (takich jak średnica wewnętrzna druku i szybkość wypełniania) na chropowatość powierzchni i dokładność wymiarową wykrojów drukarskich. Zbadano wpływ obciążenia ciałami stałymi na właściwości reologiczne, gęstość spiekania, gęstość spiekania i właściwości mechaniczne zaczynu WC-20Co. Wyniki pokazują, że próbkę można wydrukować o dobrym kształcie, z odpowiednią dokładnością i jednolitą mikrostrukturą. Spiekane próbki charakteryzują się dobrym zachowaniem kształtu i jednolitą mikrostrukturą. Najlepsza gęstość próbki, twardość i wytrzymałość na zerwanie poprzeczne wyniosły odpowiednio 13,55 g/cm3, HRA 87,7 i 2612,8 MPa. 3DGP ma wyjątkowe zalety w kształtowaniu bliskiej sieci elementów WC-20Co o skomplikowanych kształtach. 1. Wprowadzenie Węglik spiekany WC-Co składa się z twardych cząstek WC osadzonych w ciągłej osnowie Co i jest jednym z najważniejszych kompozytów z osnową metaliczną. Obecnie są szeroko stosowane jako narzędzia do wiercenia i cięcia, wykrojniki, części zużywające się i inne części specjalne. Ze względu na nietopliwość cząstek WC, węgliki spiekane są zwykle wytwarzane w procesie metalurgii proszków (PM), w którym następuje spiekanie w fazie ciekłej wyprasek proszkowych WC-Co. Złożoność kształtu produktu jest mocno ograniczona przez strukturę matrycy. Ponadto, ze względu na wysoką twardość i właściwości wytrzymałościowe twardości WC-Co, obróbka twardościami WC-Co jest utrudniona. Wykorzystanie tradycyjnych metod do przygotowania elementów z węglików spiekanych o skomplikowanych kształtach jest ogromnym wyzwaniem. W ostatnich latach technologia wytwarzania przyrostowego (AM) odpowiednia do wytwarzania kształtów zbliżonych do siatki i skomplikowanych części została opracowana i zastosowana do produkcji kilku materiałów metalowych, takich jak: jako stal nierdzewna, tytan, stopy tytanu i stopy aluminium (SLM). Bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS), topienie wiązką elektronów (EBM) itp. są typowymi i głównymi technologiami. Laser Engineering Network Forming (LENS) może wytwarzać skomplikowane kształty i prawie całkowicie gęste części. W tych procesach AM, proszek metalowy jest selektywnie nakładany warstwami za pomocą lasera/wiązki elektronów warstwa po warstwie, aż do zbudowania części. Istnieje jednak niewiele badań dotyczących wytwarzania przyrostowego metali twardych WC-Co. Po pierwsze, węglik spiekany WC-Co składa się z cząstek WC i materiału matrycy Co, a temperatury topnienia tych dwóch materiałów są bardzo różne. Gdy proszek WC-Co ogrzewa się do temperatury topnienia Co, cząstki WC pozostają w stanie stałym; proszek jest dalej ogrzewany i Co zaczyna parować. Częściowe stopienie zmniejszy gęstość produktu. Aby rozwiązać ten problem, niektórzy badacze próbowali dodać 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 użyciu DMLS wytworzono próbki o wymiarach 50 mm × 10 mm × 9 mm. Ze względu na dużą ilość Cu gęstość względna tej próbki osiągnęła 94,3%. Po drugie, te technologie stapiania w złożu proszkowym mają pewne wymagania dotyczące stosowanego proszku. W procesach SLM i EBM proszki metali rozchodzą się przez rolki, podczas gdy DMLS i LENS są zwykle wyposażone w synchroniczny system podawania proszku. Aby uzyskać jednolitą i cienką warstwę proszku, oba typy podawania proszku wymagają proszku drobnoziarnistego i sferycznego o dobrej sypkości. Proszek WC-Co o nieregularnym kształcie dostępny w handlu nie spełnia tych wymagań. Ponadto nagrzewanie i chłodzenie laserem/wiązką elektronów (tj. proces spiekania) przebiega bardzo szybko. Tylko kilka cząstek WC może rozpuścić się w fazie ciekłej. Niepełne spiekanie może obniżyć wydajność produktu. Wreszcie, powyższe techniki wymagają systemów ochrony w wysokiej próżni lub w gazie obojętnym, które są kosztowne i obejmują odwęglenie i odparowanie kobaltu. Niedźwiedź i in. odkryli, że w sproszkowanym surowcu nie było wystarczającej ilości wolnego węgla, aby zrekompensować utratę węgla, która wystąpiła podczas procesu LENS. Chociaż powyższe techniki mogą wytwarzać wiele skomplikowanych części, mogą nie być odpowiednie do produkcji twardych metali WC-Co. W celu rozwiązania 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 łączy formowanie wtryskowe żelu z modelem osadzania topionego (FDM) i ma możliwość przekształcania modeli 3D w bryły 3D. Rysunek 1(a) przedstawia zaprojektowane przez nas urządzenie 3DGP. Figura 1(b) przedstawia powiększony widok systemu wytłaczania i osadzania urządzenia. Najpierw zaprojektowany model 3D jest cięty na serię plasterków 2D. Sproszkowana zawiesina w roztworze monomeru organicznego jest następnie wykorzystywana jako „atrament” i przenoszona do wytłaczarki ślimakowej urządzenia 3D GP pod określonym ciśnieniem sprężonego powietrza. Jednocześnie inicjator i katalizator są dostarczane proporcjonalnie do tej samej wytłaczarki ślimakowej. Materiały są dokładnie mieszane i wytłaczane przez dyszę, a następnie umieszczane na platformie drukarskiej. Po krótkim czasie organiczne monomery są sieciowane, a stały proszek jest utrzymywany na miejscu przez trójwymiarowy usieciowany polimer. W ten sposób zawiesina jest selektywnie osadzana warstwa po warstwie, co jest zgodne z każdym wstępnie skonstruowanym wycinkiem 2D modelu 3D. Ostatecznie uzyskuje się trójwymiarową strukturę zielonego korpusu. Aby uniknąć zapadania się zieleni podczas procesu drukowania, platforma drukująca pozostaje nieruchoma, a głowica drukująca urządzenia 3DGP może poruszać się wzdłuż osi X, Y i Z, co różni się od konwencjonalnego urządzenia FDM. Podobnie jak tradycyjne urządzenia FDM, nowe urządzenie ma zalety elastycznego formowania, prostej konstrukcji i dokładnej kontroli. Po wysuszeniu surowy korpus jest odtłuszczany i spiekany w piecu próżniowym lub atmosferycznym. Rysunek 1 Schemat 3DGP: (a) urządzenie do drukowania na żelu 3D, (b) powiększony widok systemu wytłaczania i osadzania, (c) włókna zawiesiny i (d) osadzanie włókien serycynowych. Odlewanie żelu było wykorzystywane do produkcji różnych materiałów metalowych i ceramiki, takich jak WC-8 wt%Co, stal nierdzewna 17-4PH, stop wysokotemperaturowy, Al2O3, Si3N4, SiC i tak dalej. Dowodzi to, że różne proszki materiałów mogą być stabilnie dyspergowane i zawieszane w roztworze monomeru organicznego, co oznacza, że 3DGP ma ogromny potencjał w tworzeniu wielu materiałów, w tym metali, stopów metali, kompozytów z osnową metaliczną i ceramiki. Obecne zapotrzebowanie na złożone części z węglików stale rośnie. WC-20Co to typowy węglik spiekany. W tym badaniu zawiesina WC-20Co została użyta jako farba do druku, a wytwarzanie przyrostowe składnika WC-20Co zostało zbadane przez 3DGP. Celem jest wytwarzanie części kompozytowych WC-20Co o wysokiej gęstości i wysokich właściwościach mechanicznych oraz badanie wykonalności i praktyczności 3DGP w kształtowaniu bliskiego zasięgu części ze stopów twardych WC-Co.2. Przygotowanie 2.1. Przygotowanie zawiesiny WC-20Co W tej pracy zastosowano komercyjny proszek WC o średniej średnicy cząstek 2,7 μm oraz proszek Co o średniej średnicy cząstek 46,5 μm. Figury 2(a) i (b) pokazują wygląd odpowiednio proszku WC i proszku Co. Surowce te zmieszano stosując mieszaninę do mielenia kulowego o stosunku wagowym WC do Co wynoszącym 80:20 i kulkę z węglika spiekanego zmieszaną z proszkiem WC-20Co w stosunku wagowym 5:1. Rysunek 2(c) przedstawia proszek kompozytowy WC-20Co po mieleniu przez 24 godziny. 2 Morfologia materiału proszkowego: (a) proszek WC, (b) proszek Co i (c) proszek kompozytowy WC-20Co. Aby zapobiec utlenianiu kobaltu, zaprojektowano układy niehydrożelowe. Jako rozpuszczalniki i organiczne monomery wybrano toluen i metakrylan hydroksyetylu (CH2=C(CH3)COOCH2CH2OH, HEMA). Tabela 1 przedstawia układy żelowe stosowane w zawiesinach WC-20Co. Tabela 1. Układ odczynników chemicznych dla zawiesiny WC-20Co. Rozpuszczalnikowy monomer organiczny środek sieciujący, dyspergator, inicjator, metakrylan toluenowo-hydroksyetylu (HEMA) N,N'-Metylen bis-akrylamid Solsperse-6000 Nadtlenek benzoilu (BPO) Dimetyloanilina (TEMED) Wszystkie odczynniki użyte w eksperymencie były analitycznie czyste. Najpierw zmieszano HEMA (monomer) i N,N'-metyleno-bisakrylamid (środek sieciujący) w stosunku wagowym 80:1 i następnie rozpuszczono w toluenie w stężeniu 50% objętościowo HEMA w celu przygotowania obróbki wstępnej. mieszanina. Następnie przygotowano zawiesiny o różnych zawartościach substancji stałych, dyspergując proszek WC-20Co we wstępnie zmieszanym roztworze. Dyspergator Solsperse-6000 (ICI Co. USA, nietoksyczny) dodano jednocześnie w określonej proporcji. Te zawiesiny WC-20Co następnie mielono w młynie kulowym przez 2 godziny w celu uzyskania jednorodnej zawiesiny.2.2. Proces druku 3D na żelu Powyższa zawiesina WC-20Co została dostarczona do urządzenia 3D GP pod odpowiednim ciśnieniem. Zastosowano tu trzy dysze o średnicach wewnętrznych 0,5, 0,6 i 0,7 mm. Tabela 2 przedstawia warunki drukowania procesu 3DGP. W oparciu o te parametry drukowania, na przykładzie frezu ukosowego, przygotowano i przeanalizowano kilka prostokątnych próbek w celu określenia dokładności i stanu powierzchni 3DGP. Po procesie drukowania w żelu 3D surowe bryły suszono w piecu próżniowym w temperaturze 60°C przez 8 godzin. Wysuszony surowy korpus odtłuszczano w 700°C przez 1 godzinę, a na koniec spiekano w próżniowym piecu rurowym węglowym (próżnia <2 Pa) w 1360°C przez 1 godzinę. Tabela 2. Warunki drukowania dla 3DGP. Numerowanie warunków drukowania Średnica dyszy grubość 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 Lepkość zawiesiny WC-20Co badano stosując obrotowy wiskozymetr NDJ-79 w 25°C. Analizę termograwimetryczną (TGA) i różnicową analizę termiczną (DTA) zastosowano do zbadania termicznej utraty masy i kinetyki rozkładu spoiw organicznych, gdy szybkość ogrzewania wynosiła 10°C/min w przepływie argonu o wysokiej czystości. Do pomiaru gęstości surowej i spiekanej zastosowano zasadę Archimedesa. Do obserwacji chropowatości powierzchni, wyglądu i morfologii przekroju poprzecznego zielonego ciała 3DGP zastosowano laserowy skaningowy mikroskop konfokalny. Za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej obserwowano wygląd proszku WC-20Co oraz mikrostrukturę surowych i spiekanych próbek. Twardość spiekanych próbek badano za pomocą twardościomierza Rockwella ze stożkiem diamentowym i obciążeniem 60 kg. Próbę zginania spiekanych próbek pociętych na kawałki o wymiarach 5 mm x 5 mm x 35 mm przeprowadzono na elektronicznej uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej przy szybkości obciążenia 10 mm/min. Każdy zestaw raportowanych danych jest oparty na atrybutach uzyskanych z 3 do 5 próbek.3. Wyniki i dyskusja3.1. Zachowanie reologiczne i proces żelowania gnojowicy WC-20Co Jakość gnojowicy zależy od dwóch kluczowych czynników: obciążenia ciałem stałym i lepkości. FIGA. 3 pokazuje wpływ obciążenia ciałami stałymi na lepkość zawiesiny WC-20Co przy szybkości ścinania 20 s-1. Lepkość zawiesiny wzrasta wraz z obciążeniem ciałami stałymi. W przeciwieństwie do wymagań dotyczących lepkości formowania wtryskowego żelu (zwykle <1 Pa·s), w procesie 3DGP można zastosować wyższą lepkość (oznaczającą wyższą zawartość części stałych). Pasta 3DGP nie musi być wypełniana formą, a jedynie musi mieć pewien stopień płynności (zwykle <3 Pa·s), aby można ją było wycisnąć przez dyszę. Jednak nadmierna lepkość może utrudniać wytłaczanie pasty WC-20Co. Na przykład zawiesina o zawartości części stałych 59 obj.% jest zbyt lepka, aby można ją było wytłaczać. W tym badaniu, cztery różne zawiesiny WC-20Co załadowane ciałem stałym zostały bezpośrednio wydrukowane przez 3DGP: 47, 50, 53 i 56 vol%. Rysunek 3. Wpływ zawartości ciał stałych na lepkość pasty WC-20Co. Zawiesina 20Co wykazuje właściwości płynne pseudoplastyczne. Jak pokazano na Figurze 4, wraz ze wzrostem szybkości ścinania, lepkość zawiesiny WC-20Co znacznie spada, co wskazuje na zachowanie rozrzedzenia przy ścinaniu. Wskazuje to, że szlam WC-20Co może płynąć z dużymi szybkościami ścinania spowodowanymi ciśnieniem powietrza i mieszaniem i może być wytłaczany pod określonym ciśnieniem przez dyszę o małej średnicy. Po wytłoczeniu zawiesiny i zaniku siły ścinającej, włókna zawiesiny zachowują swój kształt, a nie rozprzestrzeniają się przez krótki czas bezczynności przed zestaleniem. Ta charakterystyka rozrzedzania przy ścinaniu jest bardzo korzystna dla wytłaczania i osadzania zawiesin WC-20Co w procesie 3DGP. Rysunek 4. Zależność między lepkością pozorną a szybkością ścinania dla zawiesiny WC-20Co. Między dodaniem katalizatora, dimetyloaniliny, występuje czas bezczynności (TEMED) i inicjator nadtlenek benzoilu (BPO) oraz początek żelowania (polimeryzacja sieciowa). Optymalizacja czasu wolnego jest kluczowym punktem 3DGP. W odpowiednim czasie bezczynności ślimak systemu wytłaczania może silnie mieszać zawiesinę WC-20Co, katalizator i inicjator oraz zapewniać szybką polimeryzację sieciującą monomeru HEMA po wytłoczeniu i osadzeniu zawiesiny. Przed wydrukowaniem kolejnej warstwy, poprzednia warstwa szlamu powinna mieć wystarczającą wytrzymałość, aby zielona masa mogła zachować swój kształt i wytrzymać swój własny ciężar. Polimeryzacja sieciująca HEMA jest reakcją egzotermiczną, dlatego do określenia czasu bezczynności stosuje się niestandardowe przyrządy z termometrem. W naszej poprzedniej pracy stwierdziliśmy istotny wpływ na szybkość reakcji katalizatora TEMED, stężenie TEMED wynosiło 10 mmol/L. Reakcja sieciowania zachodzi przy stabilności. W przeciwieństwie do niezwykłego efektu katalizatora, wygodniej jest zoptymalizować czas bezczynności i szybkość polimeryzacji przez dostosowanie stężenia inicjatora. Po dodaniu do zawiesiny WC-20Co inicjator BPO rozkłada się na wolne rodniki, z powodzeniem inicjując reakcję polimeryzacji. Rysunek 5 przedstawia wpływ stężenia inicjatora na czas martwy zawiesiny WC-20Co o zawartości części stałych 56% objętościowo. Wyniki pokazują, że żelowanie zawiesiny WC-20Co można kontrolować. Czas bezczynności zmniejsza się wraz ze wzrostem stężenia inicjatora. Gdy stężenie inicjatora wynosi 40 mmol/L, czas bezczynności wynosi > 20 min. Jednak wraz ze wzrostem stężenia inicjatora do 70 mmol/L czas bezczynności zmniejszył się do około 5 minut. Gdy stężenie przekracza 100 mmol/L, minimalny czas bezczynności uderzenia. Podobne wzory dotyczą szlamów o różnej zawartości części stałych. Zgodnie z wynikami powtórzonych eksperymentów zaprezentowano inicjator (90 mmol/L) o optymalnej dawce. Podczas tego optymalnego okresu rozładunku (około 2 minut) zawiesina WC-20Co była mieszana z określoną ilością katalizatora i inicjatora w wytłaczarce ślimakowej, a następnie wytłaczana przez dyszę i ostatecznie utwardzana w ciągu 20 sekund. 5 Wpływ stężenia inicjatora na czas opróżniania zawiesiny WC-20Co 3.2. Charakterystyka zielonego korpusu Zawiesina WC-20Co została wytłoczona przez konwencjonalną dyszę i ze względu na efekt Barusa (rozprężanie ekstrudowane) średnica filamentu zawiesiny była nieco większa niż wewnętrzna średnica dyszy. Jak pokazano na rys. 1(c), po osadzeniu gęstego filamentu na platformie drukarskiej jego własna grawitacja, właściwości reologiczne i niewielki kontakt z dyszą staną się półeliptyczne, jak pokazano na rys. 1(c). Kontrolując czas bezczynności, pasta drukarska może być szybko utwardzona i wystarczająco mocna przed wytłoczeniem kolejnej warstwy. Rysunek 1(d) przedstawia schemat procesu osadzania 3DGP. Włókna zawiesiny WC-20Co są ułożone krzyżowo, a następna warstwa wypełni pustą przestrzeń poprzedniej warstwy. Ze względu na wspomniany wcześniej efekt Barusa konieczne jest dobranie odpowiedniej szybkości napełniania. Efekt szybkości napełniania pokazano na rysunku 6. Trzy różne próbki szybkości napełniania wydrukowano za pomocą dyszy 0,7 mm i pasty WC-20Co zawierającej 56 vol% substancji stałych. Gdy szybkość napełniania wynosi 100%, szlam WC-20Co gromadzi się, odkształca, a następnie uszkadza kształt produktu. Z drugiej strony, jak pokazano w strukturze sieciowej pokazanej na FIG. 6(a), mała szybkość napełniania skutkuje niską gęstością surowej masy. Przy napełnieniu 92% zielony korpus dobrze się uformował. Właściwą szybkość napełniania dobiera się na podstawie właściwości reologicznych gnojowicy i wielkości dyszy. Rysunek 6 Próbki zielone o różnych szybkościach napełniania: (a) 84%, (b) 92% i (c) 100%. Wewnętrzna średnica dyszy wpływa na grubość osadzonej warstwy i ostatecznie określa chropowatość powierzchni i dokładność wymiarową surowego korpusu. Aby to zilustrować, 3DGP wykonało kilka próbek przy użyciu dysz o różnej średnicy i zawiesiny WC-20Co z ładunkiem substancji stałych 56 vol%. Zmierzono grubość ich warstwy, chropowatość powierzchni, kształt i rozmiar, aby obliczyć dokładność formowania 3DGP. Grubość warstwy i chropowatość powierzchni drukowanych próbek badano za pomocą konfokalnej laserowej mikroskopii skaningowej. FIGA. 7 jest widokiem z boku surowego korpusu uzyskanego przez 3DGP przy użyciu trzech dysz o średnicach wewnętrznych 0,5, 0,6 i 0,7 mm. Wskazuje to, że włókna zawiesiny zachowują swój kształt i utwardzają się w czasie, z dobrym wiązaniem między warstwami. W tabeli 3 przedstawiono grubość warstwy, chropowatość powierzchni i wymiary zadrukowanej zielonej masy. Wyniki zmierzonych grubości warstw (odpowiednio 0,355 mm, 0,447 mm i 0,552 mm) są zgodne z ustawieniami 3DGP przedstawionymi w tabeli 2. Wraz ze wzrostem średnicy dysz zwiększa się chropowatość powierzchni drukowanej próbki. Gdy prostokątny równoległościan drukowano za pomocą dyszy o wewnętrznej średnicy 0,5 mm, uzyskano chropowatość powierzchni (Ra) 8,13±0,6 μm. Gdy średnica wewnętrzna dyszy została zwiększona do 0,7 mm, próbka miała chropowatość powierzchni (Ra) aż 19,98±0,9 μm. Jak widać z tabeli 3, wszystkie te zadrukowane półfabrykaty są nieco większe niż model trójwymiarowy, ale są nieco mniejsze podczas procesu suszenia i dlatego są bliższe modelowi. Rysunek 8 przedstawia wysuszoną prostokątną próbkę wydrukowaną przy użyciu dyszy 0,5 mm i zawiesiny WC-20Co z ładunkiem substancji stałych 56 obj.%. Jak pokazano na Ryc. 8(b), powierzchnia próbki z zestawu 3DGP nie miała widocznych porów, odłamków i wad wypaczenia. Na powierzchni próbki prostopadłościennej nadal widoczne są ślady odcisku linii. Wyniki pokazują, że urządzenie 3DGP ma dobrą zdolność formowania, a zastosowanie precyzyjnych dysz do przygotowania próbek skutkuje mniejszą chropowatością powierzchni i większą dokładnością wymiarową. Rysunek 8(e) przedstawia przekrój poprzeczny suchej zielonej próbki o małym powiększeniu. Nie ma interfejsu między warstwą druku a liniami wewnątrz zielonej próbki. Chociaż pasta WC-Co jest drukowana jedna po drugiej warstwa po warstwie, właściwości zwilżające i rozprowadzające pasty są dobre, a szybkość wypełniania jest odpowiednia, dzięki czemu drut i warstwa mają doskonałą przyczepność. Ponadto, sieciująca polimeryzacja HEMA nadal zachodzi na tych powierzchniach rozdziału podczas etapów drukowania i suszenia oraz ścisłego wiązania drutów i warstw. Na obrazie SEM (rys. 8(f)) widać, że zielona próbka ma jednorodną mikrostrukturę, a cząstki WC-Co są równomiernie rozmieszczone. Co więcej, cząstki są szczelnie pokryte żelowym polimerem i unieruchomione. Rysunek 7: Wygląd powierzchni bocznej i grubość warstwy surowych korpusów różnych dysz utworzonych przez 3DGP: dysza 0,5 mm, (b) dysza 0,6 mm i (c) Dysza 0,7 mm. Tabela 3. Grubość warstwy, chropowatość powierzchni i wymiary surowych brył po wydrukowaniu oraz wymiary suszonych surowych brył. (Model 3D ma wymiary 40 mm × 20 mm × 20 mm.)Rys. 8. Próbka prostopadłościenna wydrukowana przez 3DGP przy użyciu dyszy 0,5 mm i zawiesiny WC-20Co z obciążeniem stałym 56 vol%: (a) model trójwymiarowy, (b) wysuszony surowy korpus, (c) próbka spiekana, (e) krzyż przekrój suszonej masy surowej w małym powiększeniu oraz (f) mikrostruktury suszonej masy zielonej. Obciążenie ciałem stałym wpływa na gęstość masy zielonej. Jak pokazano na RYS. 9, gdy wybrana jest właściwa dysza i dobrana jest odpowiednia szybkość napełniania, gęstość początkowa wzrasta wraz ze wzrostem ładunku ciał stałych w zawiesinie. Przy obciążeniu ciałami stałymi 56 obj.% gęstość w stanie surowym wynosiła 7,85 g/cm3. Zastosowanie szlamów o wysokiej zawartości części stałych ułatwia produkcję surowych wyprasek o wysokiej gęstości i zmniejsza skurcz podczas suszenia i spiekania, co ułatwia uzyskanie jednorodnych i bardzo dokładnych części spiekanych o wysokiej gęstości. W założeniu o rozsądnej lepkości konieczne jest maksymalne zwiększenie obciążenia ciałami stałymi. Rysunek 9. Gęstość po spiekaniu próbek 3D GP przy różnych obciążeniach ciałami stałymi WC-20Co.3.3. Próbka spiekanaProces 3DGP opiera się na polimeryzacji in situ organicznych spoiw monomerowych i FDM. Przed spiekaniem zielony żelowy polimer (spoiwo organiczne) powinien się rozłożyć i wypalić. Aby zbadać kinetykę rozkładu termicznego spoiw organicznych, zielone próbki wydrukowane przy użyciu zawiesiny WC-20Co przy obciążeniu ciałami stałymi 56 obj.% zostały przetestowane za pomocą TG i DTA w atmosferze przepływającego argonu przy szybkości ogrzewania 10°C/min. . Jak pokazano na rysunku 10, zielona próbka jest endotermiczna z powodu parowania toluenu i staje się jaśniejsza w niskich temperaturach (<100 °C). Krzywa DTA pokazuje silną egzotermę przy około 450°C. Odpowiadając pikowi egzotermicznemu, zielony korpus wykazuje znaczną utratę masy między 300 °C a 500 °C. Po podgrzaniu do 600°C zielona próbka straciła 3,08 wt%. Według obliczeń zawartość substancji organicznej w wysuszonej zielonej próbce wynosiła wagowo 3,02%. Gdy temperatura jest wyższa niż 600°C, ciężar surowego korpusu prawie się nie zmienia. Wyniki pokazują, że zielony żel polimerowy całkowicie wypalił się po podgrzaniu do około 600°C. Ze względu na niską zawartość spoiw organicznych, zielone próbki drukowane w technologii 3DGP wymagają jedynie odtłuszczania termicznego. 3DGP może tworzyć komponenty o dużych rozmiarach. Próbka WC-20Co została wyżarzona w 700°C przez godzinę z uwagi na opóźnienie temperaturowe pieca. Na RYS. 8(c), można wyraźnie zaobserwować, że skurcz próbki wytworzonej w 3DGP jest jednorodny podczas spiekania. Spiekana próbka zachowuje swój kształt bez wypaczeń i nie ma defektów na powierzchni.Rysunek 10. Krzywa DTA i krzywa TG próbki 3DGP z szybkością ogrzewania 10°C/min.W miarę wzrostu zawartości substancji stałych gęstość spiekanej Zwiększa się próbka 3DGP. Podobnie jak dane o gęstości na RYS. 9, próbka wydrukowana przy użyciu zawiesiny WC-20Co o zawartości substancji stałych 56 obj.-% wykazała maksymalną gęstość 13,55 g/cm3, która osiągnęła 99,93% gęstości teoretycznej. Jednakże, gdy ładunek ciała stałego został zmniejszony do 47% objętościowo, gęstość spieku wynosiła tylko 12,01 g/cm3 (88,58% gęstości teoretycznej). Wpływ obciążenia ciałami stałymi znajduje również odzwierciedlenie w mikrostrukturze spiekanej próbki. Przy stałym obciążeniu objętościowym do 56%, obraz SEM (Rysunek 11(a)) pokazuje spiekaną próbkę z prawie pełnym zagęszczeniem bez zaobserwowanych pęknięć i pustych przestrzeni. Gdy zawartość substancji stałych jest niska, innymi słowy, zawartość rozpuszczalnika i zawartość spoiwa organicznego są wysokie, odparowanie rozpuszczalnika i wypalenie spoiwa organicznego powoduje wiele pustych przestrzeni, co utrudnia zagęszczanie spiekania. FIGA. 11(b) pokazuje, że gdy zawartość ciał stałych zawiesiny WC-20Co jest zmniejszona do objętości 53%, w spiekanej próbce znajdują się małe otwory. Na FIG. 11(c) ilustrujący mikrostrukturę próbki wydrukowanej przy użyciu zawiesiny WC-20Co z obciążeniem stałymi 50% objętościowo. Jak pokazano na RYS. 11(d), coraz więcej otworów pojawia się, gdy obciążenie ciała stałego jest dalej zmniejszane. Podczas odtłuszczania i spiekania nie ma wystarczającej ilości fazy ciekłej, aby wypełnić pory pozostawione przez rozpuszczalnik i spoiwo organiczne. Spowodowało to niską gęstość i dużą liczbę pustych przestrzeni w próbkach wydrukowanych przy użyciu pasty WC-20Co z obciążeniem ciałami stałymi objętościowo 47%. Rysunek 11. (a) 56 vol%, (b) 53 vol%, (c) 50 vol%, oraz (d) zawiesinę 47 vol% WC-20Co przez wydrukowany w 3DGP obraz SEM spiekanej próbki. Na Rysunku 12 przedstawiono zmianę twardości spiekanych próbek w funkcji obciążenia zawiesiny WC-20Co ciałem stałym. Przy obciążeniu objętościowym ciał stałych 47% twardość (HRA) wynosi tylko 84,5. Niska zawartość części stałych skutkuje niską gęstością spieku (wysoka porowatość), co znacznie obniża właściwości mechaniczne próbki. Wraz ze wzrostem obciążenia ciałami stałymi znacznie wzrasta twardość. Próbki wydrukowane przy użyciu zawiesiny WC-20Co o obciążeniu ciałami stałymi 56 vol% mają maksymalną twardość (HRA) wynoszącą 87,7. Rysunek 12. Wartości twardości spiekanych próbek przy różnych obciążeniach ciałami stałymi WC-20Co. spieczona próbka. Jak pokazano na rysunku 13, zaobserwowano, że wytrzymałość próbki na zginanie wzrasta wraz ze wzrostem obciążenia ciałami stałymi. Wygląd pęknięcia i mikrostruktura próbki (Rysunek 14) również to potwierdziły. Jak pokazano na FIG. 14(b), (c) i (d), próbka miała bardzo niską wytrzymałość na zginanie, a wiele otworów zostało spowodowanych przez małe objętościowe ładunki ciał stałych 53%, 50% i 47%. Pomimo obecności porów można zauważyć, że cząstki WC są równomiernie rozmieszczone i nie występuje nienormalny wzrost. Próbki wykonane z szlamu o wysokiej zawartości WC-20Co (56 vol%) miały wytrzymałość na rozerwanie poprzeczne 2612,8 MPa. Rysunek 13. Wytrzymałość na zginanie spiekanych próbek przy różnych obciążeniach ciałem stałym WC-20Co. Rysunek 14. Wzory pękania wydrukowanych próbek WC-20Co przy użyciu szlamów z różnymi ładunkami ciał stałych: (a) 56 vol%, (b) 53 vol%, (c) 50 vol% i (d) 47 vol%. Rysunek 15 przedstawia frez ukośny (średnica 52 mm) wykonany z 3DGP i spiekany w 1360 °C. Spiekanie kurczy się równomiernie. Dlatego frezowanie ukosowe zapewnia dobre zachowanie kształtu. Właściwości mechaniczne próbek drukowanych w technologii 3DGP są podobne do właściwości mechanicznych próbek wykonanych za pomocą konwencjonalnych pras drukarskich i technik spiekania. 3DGP to zaawansowany proces formowania bliskiego sieci, który umożliwia formowanie skomplikowanych kształtów bez formy (swobodne formowanie). Wydrukowane linie można oglądać na ściętej powierzchni. Części wykonane przez 3DGP muszą być wypolerowane i wykończone przed użyciem. Szybkość formowania 3DGP jest nadal bardzo niska. Wydruk frezowania ukosowego zajmuje 2 godziny i 46 minut. Jako proces bez formowania, 3DGP pokonuje ograniczenia złożonych kształtów i upraszcza przebieg procesu. Wraz z rozwojem technologii i wyposażenia dokładność i szybkość formowania będą stopniowo wzrastać. 3DGP zapewnia nową metodę kształtowania bliskiej siatki elementów z węglików spiekanych WC-Co. Rysunek 15. Frez ukosowany wydrukowany przez 3DGP.4. wniosek Kompozytowy składnik WC-20Co został z powodzeniem wyprodukowany w kształcie zbliżonym do netto w nowym procesie AM zwanym drukowaniem żelowym 3D, w którym selektywnie nakłada się zawiesinę WC-20Co warstwa po warstwie. Można wyciągnąć następujące wnioski: (1)Zawiesiny o odpowiednich właściwościach reologicznych można wytwarzać stosując układy proszku kompozytowego WC-20Co o nieregularnych kształtach i żelu toluen-HEMA. Rozrzedzenie ścinania i kontrolowana reakcja żelowania sprawiają, że zawiesina WC-20Co nadaje się do procesu 3DGP. (2) 3DGP może być stosowany do wytwarzania złożonych zielonych ciał. Zastosowanie precyzyjnych dysz pomaga poprawić dokładność formowania 3DGP i zmniejszyć chropowatość powierzchni próbki. Szybkość pakowania należy dobrać w oparciu o reologię gnojowicy i wielkość dyszy. Wydrukowana próbka ma dobry kształt i chropowatość powierzchni 8,13±0,6 μm. Niska zawartość spoiwa w zielonym sprzęcie umożliwia 3DGP wytwarzanie elementów o dużych rozmiarach. (3) Zwiększenie zawartości ciał stałych zawiesiny WC-20Co spowodowało poprawę lepkości zawiesiny, gęstości po spiekaniu, gęstości spiekania i właściwości mechanicznych spieku próbki. Spiekana próbka wydrukowana przy użyciu zawiesiny 56 vol% WC-20Co ma gęstość 13,55 g/cm3 (99,93% gęstości teoretycznej), twardość 87,7 (HRA) i wytrzymałość 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 pomocą drukowania żelowego 3D. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, tom 70, styczeń 2018, strony 215-223
Źródło: Carbide Meeyou