Development of the fused filament fabrication, debinding, and sintering processes for the obtention of a WC-10 Co hardmetal

Abstract

Esta investigación explora la aplicación de la tecnología de fabricación de filamentos fundidos (FFF) para la impresión 3D de metales duros WC-10Co, centrándose en el desarrollo de formulaciones de sistemas poliméricos que incorporan polipropileno injertado con anhídrido maleico, elastómeros termoplásticos y aditivos como cera de parafina y ácido esteárico. El estudio ajusta las variables del proceso a través de las fases de impresión, despolimerización térmica y sinterización. Se realizaron experimentos preliminares para estandarizar variables, incluyendo el mantenimiento de un 48% de volumen de polvo en la materia prima desarrollada y utilizando polvos listos para prensar de grado industrial. Tras experimentar con las variables de impresión, se lograron densidades relativas en verde de hasta el 99.99%. Se obtuvieron conocimientos sobre los efectos de atmósferas de despolimerización, como el vacío y una mezcla de 75% H2 + 25% N2, permitiendo controlar eficazmente el carbono residual de la degradación de las cadenas poliméricas durante la despolimerización térmica mientras controlaban la microestructura de los metales duros sinterizados. Los experimentos demuestran que mediante FFF se puede producir metales duros con niveles de dureza que varían de 1300 HV30 a 1500 HV30 y una tenacidad a la fractura entre 12 y 24 MPa√m, comparable a los métodos convencionales. Los cambios dimensionales durante la sinterización se analizaron en respuesta al tiempo de sinterización y a la atmósfera de despolimerización, ayudando a predecir las desviaciones angulares, diametrales y longitudinales necesarias para escalar las muestras impresas a sus dimensiones finales, lo cual también mostró una correlación directa con los parámetros del proceso de despolimerización térmica. Los experimentos de corte con herramientas impresas en 3D y prensadas revelaron que no hay diferencias estadísticas en el comportamiento de desgaste, validando la competencia funcional de los metales duros impresos en 3D (Texto tomado de la fuente).

This research explores the application of fused filament fabrication (FFF) technology for 3D printing WC-10Co hardmetals, focusing on developing binder formulations that incorporate polypropylene grafted with maleic anhydride, thermoplastic elastomers, and additives like wax and stearic acid. The study adjusts process variables across printing, thermal debinding, and sintering phases. Preliminary experiments were conducted to standardize variables, including maintaining a 48% powder volume in the feedstock and utilizing industrial-grade Ready-to-Press powders. After experimenting with printing variables, relative green densities up to 99.99 % were achieved. Insights were gained on optimal sintering times and the effects of debinding atmospheres, such as vacuum and a 75% H2 + 25% N2 mixture, which effectively removed residual carbon from polymer chain degradation during thermal debinding while controlling the microstructure of the sintered hardmetals. The experiments demonstrate that FFF can produce hardmetals with hardness levels ranging from 1300 HV30 to 1500 HV30 and fracture toughness between 12 to 24 MPa√m, comparable to conventional methods. Dimensional changes during sintering were analyzed in response to sintering time and debinding atmosphere, aiding in predicting angular, diametral, and longitudinal deviations necessary to scale printed samples to their final dimensions, which also showed a direct correlation with the thermal debinding processing parameters. Cutting experiments with both 3D printed and conventionally pressed tools revealed no statistical differences in wear behavior, validating the functional competence of 3D printed hardmetals.