Zusammenfassung3D-Geldruck (3DGP) ist eine neuartige Fertigungstechnologie, die 3D-Komponenten durch schichtweises Auftragen und Gelieren von Metallschl?mmen aufbaut. Hierin wurde eine auf Hydroxyethylmethacrylat (HEMA) basierende Aufschl?mmung mit einer Feststoffbeladung von 47–56 Vol.-% TP2T WC-20Co direkt durch 3DGP gebildet und dann in einem Vakuumofen gesintert. WC-20Co-Aufschl?mmungen weisen ein geeignetes Flie?- und Strukturviskosit?tsverhalten auf, was für den 3DGP-Umformprozess vorteilhaft ist. Die Auswirkungen von 3DGP-Verarbeitungsparametern (wie Druckinnendurchmesser und Füllrate) auf die Oberfl?chenrauheit und Ma?haltigkeit von Druckrohlingen wurden untersucht. Die Auswirkungen der Feststoffbeladung auf die rheologischen Eigenschaften, Sinterdichte, Sinterdichte und mechanischen Eigenschaften von WC-20Co-Aufschl?mmung wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Probe mit guter Form, mit angemessener Genauigkeit und gleichm??iger Mikrostruktur gedruckt werden kann. Gesinterte Proben haben eine gute Formbest?ndigkeit und eine gleichm??ige Mikrostruktur. Die beste Probendichte, H?rte 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, Verschlei?teile 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-Pulverpressk?rpern stattfindet. Die Formkomplexit?t des Produkts wird durch die Formstruktur stark eingeschr?nkt. Au?erdem ist es aufgrund der hohen H?rte und Festigkeits-Z?higkeits-Eigenschaften von WC-Co-Hartmetallen schwierig, WC-Co-Hartmetalle zu verarbeiten. Die Verwendung traditioneller Methoden zur Herstellung komplex geformter Hartmetallteile ist eine gro?e 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 vollst?ndig 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 l?sen, versuchten einige Forscher, einige Bindemittel hinzuzufügen, wie z. B. Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt. Guet al. Cu-Pulver und WC-10Co-Pulver wurden in einem Gewichtsverh?ltnis von 60:40 gemischt, und Proben von 50 mm × 10 mm × 9 mm wurden unter Verwendung von DMLS hergestellt. Aufgrund der gro?en 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, w?hrend DMLS und LENS normalerweise mit einem synchronen Pulverzufuhrsystem ausgestattet sind. Um eine gleichm??ige und dünne Pulverschicht zu erhalten, ben?tigen beide Pulverzufuhrarten feines Pulver und kugelf?rmiges Pulver mit guter Flie?f?higkeit. Im Handel erh?ltliches, unregelm??ig geformtes WC-Co-Pulver erfüllt diese Anforderungen nicht. Au?erdem ist das Laser-/Elektronenstrahlheizen und -kühlen (dh das Sinterverfahren) sehr schnell. Nur wenige WC-Partikel k?nnen sich in der flüssigen Phase l?sen. Unvollst?ndiges Sintern kann die Produktleistung beeintr?chtigen. Schlie?lich erfordern die obigen Techniken Hochvakuum- oder Inertgas-Schutzsysteme, die kostspielig sind und die Entkohlung und Verdampfung von Kobalt beinhalten. B?ret al. fanden heraus, dass das pulverf?rmige Ausgangsmaterial nicht genügend freien Kohlenstoff enthielt, um den Kohlenstoffverlust auszugleichen, der w?hrend des LENS-Prozesses auftrat. Obwohl die obigen Techniken viele komplexe Teile herstellen k?nnen, sind sie m?glicherweise nicht für die Herstellung von WC-Co-Hartmetallen geeignet. Um die Einschr?nkungen der herk?mmlichen Verfahren und die Probleme der oben erw?hnten AM-Technologie bei der Herstellung von WC-Co-Hartmetallen zu l?sen, wurde ein neues AM-Verfahren namens 3D-Geldruck (3DGP) vorgeschlagen. 3DGP kombiniert das Gel-Spritzgie?en mit dem Fused Deposition Model (FDM) und hat die F?higkeit, 3D-Modelle in 3D-Festk?rper umzuwandeln. Abbildung 1(a) zeigt unser entworfenes 3DGP-Ger?t. 1(b) zeigt eine vergr??erte Ansicht des Extrusions- und Abscheidungssystems der Vorrichtung. Zun?chst wird das entworfene 3D-Modell in eine Reihe von 2D-Scheiben geschnitten. Die pulverf?rmige Aufschl?mmung in der organischen Monomerl?sung wird dann als "Tinte" verwendet und unter dem spezifischen Druck der Druckluft zum Schneckenextruder der 3D-GP-Anlage bef?rdert. 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 Aufschl?mmung Schicht für Schicht selektiv abgeschieden, was mit jeder vorkonstruierten 2D-Schicht des 3D-Modells übereinstimmt. Schlie?lich wird ein Grünk?rper mit dreidimensionaler Struktur erhalten. Um das Zusammenfallen des Grüns w?hrend des Druckvorgangs zu vermeiden, bleibt die Druckplattform station?r und der Druckkopf des 3DGP-Ger?ts kann sich entlang der X-, Y- und Z-Achse bewegen, was sich von dem herk?mmlichen FDM-Ger?t unterscheidet. ?hnlich wie herk?mmliche FDM-Ger?te hat das neue Ger?t die Vorteile einer flexiblen Formgebung, einer einfachen Struktur und einer genauen Steuerung. Nach dem Trocknen wird der Grünk?rper entfettet und in einem Vakuum- oder atmosph?rischen Ofen gesintert. Abbildung 1 Schema von 3DGP: (a) 3D-Geldruckger?t, (b) vergr??erte Ansicht des Extrusions- und Abscheidungssystems, (c) Aufschl?mmungsfilamente 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 Monomerl?sung dispergiert und suspendiert werden k?nnen, was bedeutet, dass 3DGP ein gro?es 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-Aufschl?mmung 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 Praktikabilit?t von 3DGP bei der Endformung von WC-Co-Hartlegierungsteilen zu untersuchen.2. Vorbereitung2.1. Herstellung einer WC-20Co-Aufschl?mmung 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-Gewichtsverh?ltnis von 80:20 und einer Sinterkarbidkugel gemischt mit einem WC-20Co-Pulver in einem Gewichtsverh?ltnis 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 L?sungsmittel und organische Monomere wurden Toluol und Hydroxyethylmethacrylat (CH2=C(CH3)COOCH2CH2OH, HEMA) gew?hlt. Tabelle 1 listet die Gelsysteme auf, die für WC-20Co-Aufschl?mmungen 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 Gewichtsverh?ltnis von 80:1 gemischt und dann in Toluol bei einer Konzentration von 501 TP2T pro Volumen HEMA gel?st, um eine Vorbehandlung vorzubereiten. Mischung. Als n?chstes wurden Aufschl?mmungen mit unterschiedlichen Feststoffbeladungen hergestellt, indem das WC-20Co-Pulver in der vorgemischten L?sung 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 gleichm??ige Aufschl?mmung zu erhalten.2.2. 3D-Geldruckverfahren Die obige WC-20Co-Aufschl?mmung wurde unter geeignetem Druck einem 3D-GP-Ger?t 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 Oberfl?chenzustand des 3DGP zu bestimmen. Nach dem 3D-Geldruckverfahren wurden die Grünk?rper in einem Vakuumofen bei 60°C für 8 Stunden getrocknet. Der getrocknete Grünk?rper wurde 1 Stunde bei 700°C entfettet und schlie?lich 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 Viskosit?t der WC-20Co-Aufschl?mmung 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 Oberfl?chenrauhigkeit, das Aussehen und die Querschnittsmorphologie des 3DGP-Grünk?rpers zu beobachten. Das Aussehen des WC-20Co-Pulvers und die Mikrostruktur der grünen und gesinterten Proben wurden durch Rasterelektronenmikroskopie beobachtet. Die H?rte der gesinterten Proben wurde unter Verwendung eines Rockwell-H?rteprüfger?ts 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-Aufschl?mmung Die Qualit?t der Aufschl?mmung h?ngt von zwei Schlüsselfaktoren ab: Feststoffbeladung und Viskosit?t. FEIGE. 3 zeigt die Auswirkung der Feststoffbeladung auf die Viskosit?t der WC-20Co-Aufschl?mmung bei einer Schergeschwindigkeit von 20 s –1 . Die Viskosit?t der Aufschl?mmung steigt mit der Feststoffbeladung. Im Gegensatz zu den Viskosit?tsanforderungen des Gel-Spritzgie?ens (normalerweise < 1 Pa·s) kann beim 3DGP-Prozess eine h?here Viskosit?t (dh ein h?herer Feststoffgehalt) verwendet werden. Die 3DGP-Paste muss nicht in eine Form gefüllt werden, sondern muss lediglich eine gewisse Flie?f?higkeit (meist < 3 Pa·s) aufweisen, damit sie durch die Düse extrudiert werden kann. Eine überm??ige Viskosit?t kann jedoch die Extrusion von WC-20Co-Paste behindern. Beispielsweise ist eine Aufschl?mmung mit einem Feststoffgehalt von 59 vol% zu viskos, um extrudiert zu werden. In dieser Studie wurden vier verschiedene feststoffbeladene WC-20Co-Aufschl?mmungen direkt von 3DGP gedruckt: 47, 50, 53 und 56 vol%. Abbildung 3. Auswirkung der Feststoffbeladung auf die Viskosit?t von WC-20Co-Paste. 20Co-Aufschl?mmung weist pseudoplastische Fluideigenschaften auf. Wie in Fig. 4 gezeigt, nimmt die Viskosit?t der WC-20Co-Aufschl?mmung mit zunehmender Schergeschwindigkeit deutlich ab, was auf ein Strukturviskosit?tsverhalten hindeutet. Dies weist darauf hin, dass die WC-20Co-Aufschl?mmung bei hohen Schergeschwindigkeiten, die durch Luftdruck und Rühren verursacht werden, flie?en kann und bei einem bestimmten Druck durch eine Düse mit kleinem Durchmesser extrudiert werden kann. Sobald die Aufschl?mmung extrudiert ist und die Scherkraft verschwindet, behalten die Aufschl?mmungsfilamente ihre Form bei, anstatt sich w?hrend einer kurzen Leerlaufzeit vor der Verfestigung auszubreiten. Diese Scherentz?hungseigenschaft ist sehr günstig für die Extrusion und Abscheidung von WC-20Co-Aufschl?mmungen im 3DGP-Prozess. Abbildung 4. Beziehung zwischen scheinbarer Viskosit?t und Schergeschwindigkeit für WC-20Co-Aufschl?mmungen. 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-Aufschl?mmung, den Katalysator und den Initiator stark rühren und sicherstellen, dass die Vernetzungspolymerisation des HEMA-Monomers nach der Extrusion und Abscheidung der Aufschl?mmung schnell erfolgt. Vor dem Drucken der n?chsten Schicht sollte die vorherige Schlickerschicht eine ausreichende Festigkeit aufweisen, damit der Grünk?rper seine Form beh?lt und seinem eigenen Gewicht standh?lt. 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 Stabilit?t 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-Aufschl?mmung zerf?llt der Initiator BPO in freie Radikale, wodurch die Polymerisationsreaktion erfolgreich initiiert wird. 5 zeigt die Auswirkung der Initiatorkonzentration auf die Totzeit einer WC-20Co-Aufschl?mmung mit einem Feststoffgehalt von 561 TP2T nach Volumen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Gelierung der WC-20Co-Aufschl?mmung kontrollierbar ist. Die Ruhezeit nimmt mit zunehmender Initiatorkonzentration ab. Bei einer Initiatorkonzentration von 40 mmol / L betr?gt 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. ?hnliche Muster gelten für Schl?mme mit unterschiedlichem Feststoffgehalt. Nach den Ergebnissen wiederholter Experimente pr?sentiert Initiator (90 mmol/L) die optimale Dosierung. W?hrend dieser optimalen Entlastungsperiode (etwa 2 Minuten) wurde die WC-20Co-Aufschl?mmung mit einer bestimmten Menge an Katalysator und Initiator in einem Schneckenextruder gemischt und dann durch eine Düse extrudiert und schlie?lich in 20 Sekunden ausgeh?rtet. 5 Wirkung der Initiatorkonzentration auf die Leerzeit der WC-20Co-Aufschl?mmung3.2. Charakterisierung des Grünk?rpers Die WC-20Co-Aufschl?mmung wurde durch eine herk?mmliche Düse extrudiert und aufgrund des Barus-Effekts (extrudierte Expansion) war der Durchmesser des Aufschl?mmungsfilaments etwas gr??er als der Innendurchmesser der Düse. Wie in Fig. 1(c) gezeigt, werden, nachdem das Aufschl?mmungsfilament 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 aush?rten und ausreichend stark sein, bevor die n?chste Schicht extrudiert wird. 1(d) ist ein Schema des 3DGP-Abscheidungsprozesses. Die Filamente aus WC-20Co-Aufschl?mmung werden über Kreuz gestapelt, und die n?chste Schicht füllt den Hohlraum der vorherigen Schicht. Aufgrund des oben erw?hnten Barus-Effekts ist es notwendig, die richtige Füllrate zu w?hlen. 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% betr?gt, h?uft sich die WC-20Co-Aufschl?mmung an, verformt sich und besch?digt dann die Form des Produkts. Andererseits, wie in der in FIG. 6(a) führt die niedrige Füllrate zu einer niedrigen Dichte des Grünk?rpers. Bei einer Füllrate von 92% formte sich der Grünk?rper gut. Die geeignete Füllrate wird basierend auf den rheologischen Eigenschaften der Aufschl?mmung und der Düsengr??e ausgew?hlt. 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 Oberfl?chenrauhigkeit und Ma?haltigkeit des Grünk?rpers. Um dies zu veranschaulichen, wurden mehrere Proben von 3DGP unter Verwendung von Düsen mit unterschiedlichen Durchmessern und einer WC-20Co-Aufschl?mmung mit einer Feststoffbeladung von 56 vol% hergestellt. Ihre Schichtdicke, Oberfl?chenrauheit, Form und Gr??e wurden gemessen, um die 3DGP-Umformgenauigkeit zu berechnen. Die Schichtdicke und Oberfl?chenrauhigkeit der bedruckten Proben wurden mittels konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie untersucht. FEIGE. 7 ist eine Seitenansicht eines Grünk?rpers, 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 Aufschl?mmungsfilamente ihre Form beibehalten und mit der Zeit aush?rten, mit guter Bindung zwischen den Schichten. Tabelle 3 zeigt die Schichtdicke, Oberfl?chenrauhigkeit und Abmessungen des gedruckten Grünk?rpers. 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 Oberfl?chenrauhigkeit der bedruckten Probe zu. Wenn eine rechteckige Parallelepiped-Probe unter Verwendung einer Düse mit einem Innendurchmesser von 0,5 mm bedruckt wurde, wurde eine Oberfl?chenrauhigkeit (Ra) von 8,13 ± 0,6 &mgr;m erhalten. Wenn der Innendurchmesser der Düse auf 0,7 mm erh?ht wurde, hatte die Probe eine Oberfl?chenrauhigkeit (Ra) von 19,98 ± 0,9 &mgr;m. Wie aus Tabelle 3 ersichtlich, sind alle diese gedruckten Rohlinge etwas gr??er als das dreidimensionale Modell, werden aber w?hrend des Trocknungsprozesses etwas kleiner und liegen somit n?her am Modell. 8 zeigt eine getrocknete rechteckige Probe, die unter Verwendung einer 0,5-mm-Düse und einer WC-20Co-Aufschl?mmung mit einer Feststoffbeladung von 56 vol% gedruckt wurde. Wie in Abbildung 8(b) gezeigt, wies die Oberfl?che der 3DGP-Bulit-Probe keine offensichtlichen Poren, Splitter und Verzugsdefekte auf. Auf der Oberfl?che der quaderf?rmigen Probe sind noch die Liniendruckmarken sichtbar. Die Ergebnisse zeigen, dass das 3DGP-Ger?t eine gute Formgebungsf?higkeit hat und die Verwendung feiner Düsen zur Probenvorbereitung zu einer geringeren Oberfl?chenrauheit und einer h?heren Ma?haltigkeit führt. 8(e) zeigt einen Querschnitt einer grünen, trockenen Probe mit geringer Vergr??erung. Es gibt keine Grenzfl?che 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. Au?erdem tritt an diesen Grenzfl?chen w?hrend der Druck- und Trocknungsschritte und der festen Verbindung der Dr?hte 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 gleichm??ig verteilt sind. Darüber hinaus werden die Partikel dicht vom Gelpolymer bedeckt und an Ort und Stelle fixiert. Abbildung 7: Aussehen der Seitenfl?che und Schichtdicke von Grünk?rpern 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, Oberfl?chenrauhigkeit und Abmessungen der so gedruckten Grünk?rper und Abmessungen getrockneter Grünk?rper. (Das 3D-Modell ist 40 mm × 20 mm × 20 mm gro?.)Abb. 8. Die quaderf?rmige Probe, die mit 3DGP unter Verwendung einer 0,5-mm-Düse und einer WC-20Co-Aufschl?mmung mit einer Feststoffbeladung von 56 vol% gedruckt wurde: (a) dreidimensionales Modell, (b) getrockneter Grünk?rper, (c) gesinterte Probe, (e) Kreuz Schnitt des getrockneten Grünk?rpers bei geringer Vergr??erung und (f) Mikrostrukturen des getrockneten Grünk?rpers. Die Feststoffbeladung beeinflusst die Dichte des Grünk?rpers. Wie in FIG. Wie in 9 gezeigt, steigt die Gründichte mit zunehmender Feststoffbeladung der Aufschl?mmung an, wenn eine geeignete Düse ausgew?hlt und eine geeignete Füllrate ausgew?hlt wird. Bei einer Feststoffbeladung von 56 vol% betrug die Gründichte 7,85 g/cm3. Die Verwendung von Aufschl?mmungen mit hohem Feststoffgehalt erleichtert die Herstellung von Grünlingen mit hoher Dichte und verringert die Schrumpfung w?hrend des Trocknens und Sinterns, was das Erreichen von homogenen und hochpr?zisen Sinterteilen mit hoher Dichte erleichtert. Unter der Pr?misse einer angemessenen Viskosit?t ist es notwendig, die Feststoffbeladung so weit wie m?glich zu erh?hen. 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-Aufschl?mmung mit einer Feststoffbeladung von 56 Vol.1 TP2T gedruckt wurden, durch TG und DTA in einer str?menden Argonatmosph?re 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 Grünk?rper 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 h?her als 600°C ist, ?ndert sich das Gewicht des Grünk?rpers kaum. Die Ergebnisse zeigen, dass das grüne Polymergel nach dem Erhitzen auf etwa 600°C vollst?ndig ausgebrannt ist. Aufgrund des geringen Gehalts an organischen Bindemitteln müssen 3DGP-gedruckte Grünmuster nur thermisch entfettet werden. 3DGP kann gro?formatige Komponenten formen. Die WC-20Co-Probe wurde unter Berücksichtigung der Ofentemperaturverz?gerung eine Stunde lang bei 700°C geglüht. In ABB. 8(c) kann deutlich beobachtet werden, dass die Schrumpfung der 3DGP-hergestellten Probe w?hrend des Sinterns gleichm??ig ist. Die gesinterte Probe beh?lt ihre Form ohne Verzug und weist keine Defekte auf der Oberfl?che 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 erh?ht. Genauso wie die Dichtedaten in FIG. In 9 zeigte eine Probe, die unter Verwendung einer WC-20Co-Aufschl?mmung 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 vollst?ndiger Verdichtung ohne beobachtete Risse oder Hohlr?ume. Wenn der Feststoffgehalt niedrig ist, mit anderen Worten, der L?sungsmittelgehalt und der Gehalt an organischem Bindemittel hoch sind, verursachen das Verdampfen des L?sungsmittels und das Ausbrennen des organischen Bindemittels viele Hohlr?ume, was die Sinterverdichtung behindert. FEIGE. 11(b) zeigt, dass, wenn die Feststoffbeladung der WC-20Co-Aufschl?mmung auf 531 TP2T nach Volumen reduziert wird, einige kleine L?cher in der gesinterten Probe vorhanden sind. Eine gro?e Anzahl von Hohlr?umen kann in Fig. 1 beobachtet werden. 11(c) veranschaulicht die Mikrostruktur einer Probe, die unter Verwendung einer WC-20Co-Aufschl?mmung mit einer Feststoffbeladung von 501 TP2T nach Volumen gedruckt wurde. Wie in FIG. 11(d) erscheinen mehr und mehr L?cher, wenn die feste Last weiter reduziert wird. W?hrend des Entfettens und Sinterns ist nicht genügend flüssige Phase vorhanden, um die durch das L?sungsmittel und den organischen Binder hinterlassenen Poren zu füllen. Dies führte zu einer geringen Dichte und einer gro?en Anzahl von Hohlr?umen in den Proben, die mit WC-20Co-Paste mit einer Feststoffbeladung von 471 TP2T nach Volumen gedruckt wurden. und (d) 47 vol% WC-20Co-Aufschl?mmung durch ein 3DGP-gedrucktes SEM-Bild einer gesinterten Probe. Fig. 12 zeigt die ?nderung der H?rte gesinterter Proben als Funktion der Feststoffbeladung der WC-20Co-Aufschl?mmung. Bei einer Feststoffbeladung von 47% nach Volumen betr?gt die H?rte (HRA) nur 84,5. Ein niedriger Feststoffgehalt führt zu einer niedrigen Sinterdichte (hohe Porosit?t), was die mechanischen Eigenschaften der Probe erheblich verringert. Mit zunehmender Feststoffbeladung nimmt die H?rte deutlich zu. Proben, die mit einer WC-20Co-Aufschl?mmung mit einer Feststoffbeladung von 56 vol% gedruckt wurden, haben eine maximale H?rte (HRA) von 87,7. Abbildung 12. H?rtewerte 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) best?tigten dies ebenfalls. Wie in FIG. 14(b), (c) und (d) gezeigt, hatte die Probe eine sehr geringe Biegefestigkeit, und viele L?cher wurden durch geringe Feststofflasten von 53%, 50% und 47% nach Volumen verursacht. Trotz vorhandener Poren ist zu erkennen, dass die WC-Partikel gleichm??ig verteilt sind und kein anormales Wachstum auftritt. Proben, die mit einer Aufschl?mmung 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 Aufschl?mmungen 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 gleichm??ig. Daher hat das Fasenfr?sen eine gute Formbest?ndigkeit. Die mechanischen Eigenschaften von 3DGP-gedruckten Proben ?hneln den mechanischen Eigenschaften von Proben, die mit herk?mmlichen Druckpressen und Sintertechniken hergestellt wurden. 3DGP ist ein fortschrittlicher Near-Net-Forming-Prozess, der komplexe Formen ohne Form formen kann (freies Formen). Gedruckte Linien k?nnen auf einer abgeschr?gten Oberfl?che 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 Fasenfr?sen zu drucken. Als nicht formgebender Prozess überwindet 3DGP die Beschr?nkungen komplexer Formen und vereinfacht den Prozessablauf. Mit der Entwicklung von Technologie und Ausrüstung werden Formgenauigkeit und Formgeschwindigkeit allm?hlich zunehmen. 3DGP bietet eine neue Methode für die Endformung von WC-Co-Hartmetallkomponenten. Abbildung 15. Mit 3DGP gedruckter abgeschr?gter Fr?ser.4. SchlussfolgerungDie WC-20Co-Verbundkomponente wurde durch ein neues AM-Verfahren namens 3D-Geldruck, bei dem die WC-20Co-Aufschl?mmung selektiv Schicht für Schicht aufgetragen wird, erfolgreich in einer nahezu endgültigen Form hergestellt. Die folgenden Schlussfolgerungen k?nnen gezogen werden: (1) Aufschl?mmungen mit geeigneten rheologischen Eigenschaften k?nnen unter Verwendung von unregelm??ig geformtem WC-20Co-Verbundpulver und Toluol-HEMA-Gelsystemen hergestellt werden. Scherverdünnungsverhalten und kontrollierte Gelierreaktion machen WC-20Co-Aufschl?mmung geeignet für 3DGP-Verfahren. (2) 3DGP kann zur Herstellung komplexer Grünk?rper verwendet werden. Die Verwendung feiner Düsen tr?gt dazu bei, die Formgenauigkeit des 3DGP zu verbessern und die Oberfl?chenrauheit der Probe zu verringern. Die Packungsrate sollte basierend auf der Rheologie der Aufschl?mmung und der Düsengr??e ausgew?hlt werden. Die bedruckte Probe hat eine gute Form und eine Oberfl?chenrauhigkeit von 8,13 ± 0,6 μm. Der geringe Bindemittelgehalt des Grünlings erm?glicht es 3DGP, gro?formatige Komponenten herzustellen. (3) Die Erh?hung der Feststoffbeladung der WC-20Co-Aufschl?mmung führte zu Verbesserungen der Aufschl?mmungsviskosit?t, Gründichte, Sinterdichte und mechanischen Eigenschaften der gesinterten Probe. Die gesinterte Probe, die unter Verwendung von 56 vol% WC-20Co-Aufschl?mmung gedruckt wurde, hat eine Dichte von 13,55 g/cm 3 (99,931 TP2T der theoretischen Dichte), eine H?rte von 87,7 (HRA) und eine Biegefestigkeit von 2612,8 MPa. Darüber hinaus ist die Mikrostruktur gleichm??ig mit feinen und gleichm??igen WC-K?rnern. 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