3D-tulostettujen alumiinioksidikeraamien mekaaniset ominaisuudet
Ovaska, Niko (2021)
2021
Teknisten tieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-02-10
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202102112030
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202102112030
Tiivistelmä
Tämä työ tehtiin osana Tampereen yliopiston keraamitutkimusrymän 3D-tulostukseen liittyvää tutkimusta. Työ jakautuu teoreettisten lähtökohtien läpikäyntiin ja kokeelliseen tutkimukseen. Tämän työn tavoitteena on tutkia 3D-tulostettujen alumiinioksidikeraamien mekaanisia ominaisuuksia.
Teoria osuudessa esitetään alumiinioksidin rakenne, mekaaniset ominaisuudet, keraamien ainetta lisäävät menetelmät, taivutuskoe ja Weibullin jakauma. Alumiinioksidilla on keraamina yleensä monikiteinen romboedrinen kiderakenne. Ominaisuuksiltaan se on kovaa, mutta haurasta. Haurauden takia keraamien murtumista määrittää kappaleessa esiintyvä kriittinen virhe,
joka toimii jännitysten kerääjänä. Kriittinen virhe voidaan liittää materiaalin lujuusominaisuuksiin, jolloin kriittisen virheen koon kasvu näkyy murtumalujuuden heikentymisenä. Tällöin voidaan arvioida muodonantomenetelmää. Näytesarja liitetään murtolujuuksien pohjalta Weibullin jakaumaan, jolloin voidaan arvioida näytesarjan selviytymistodennäköisyyksiä, ja tärkeämmin voidaan tehdä päätelmiä näytesarjan laadusta.
Tutkimusta varten tulostettiin 36 koesauvaa, joille tehtiin taivutuskoe. Murtumapinnat tutkittiin optisella mikroskoopilla. Keraamien 3D-tulostukseen käytetään tälle hetkellä pitkälti samoja tekniikoita kuin polymeereille ja metalleille. Tässä työssä on käytetty stereolitografiin pohjautuvaa tulostinta. Taivutuskokeet toteutettiin nelipistetaivutuksena, jonka etuna kolmipistetaivutukseen on, että voima jakaantuu taivutettaessa laajemmalle. Tulokset ovat tällöin tarkempia, koska mitä laajemmalle voima on jakaantunut, sitä todennäköisempää on, että on rasitettu näytteen kriittisintä virhettä. Virheen ydintymiskohdan arvioimiseksi, näytteet tutkittiin optisella mikroskoopilla.
Näytteiden pintaan oli sormilla tunnustellen jäänyt jonkin verran karheutta, joka voi toimia murtuman mahdollisena ydintymiskohtana. Mikroskooppitarkastelussa murtumat näyttivät lähteneen etenemään näytteissä yhdestä tai kahdesta kulmasta ja pinnasta tai pinnan läheltä. Weibullin jakaumasta saatiin näytesarjalle sen laatua kuvaavaksi muotoparametriksi alhainen tulos. Tämä kertoo näytesarjan ja siihen liittyen muodonannon huonosta laadusta.
Teoria osuudessa esitetään alumiinioksidin rakenne, mekaaniset ominaisuudet, keraamien ainetta lisäävät menetelmät, taivutuskoe ja Weibullin jakauma. Alumiinioksidilla on keraamina yleensä monikiteinen romboedrinen kiderakenne. Ominaisuuksiltaan se on kovaa, mutta haurasta. Haurauden takia keraamien murtumista määrittää kappaleessa esiintyvä kriittinen virhe,
joka toimii jännitysten kerääjänä. Kriittinen virhe voidaan liittää materiaalin lujuusominaisuuksiin, jolloin kriittisen virheen koon kasvu näkyy murtumalujuuden heikentymisenä. Tällöin voidaan arvioida muodonantomenetelmää. Näytesarja liitetään murtolujuuksien pohjalta Weibullin jakaumaan, jolloin voidaan arvioida näytesarjan selviytymistodennäköisyyksiä, ja tärkeämmin voidaan tehdä päätelmiä näytesarjan laadusta.
Tutkimusta varten tulostettiin 36 koesauvaa, joille tehtiin taivutuskoe. Murtumapinnat tutkittiin optisella mikroskoopilla. Keraamien 3D-tulostukseen käytetään tälle hetkellä pitkälti samoja tekniikoita kuin polymeereille ja metalleille. Tässä työssä on käytetty stereolitografiin pohjautuvaa tulostinta. Taivutuskokeet toteutettiin nelipistetaivutuksena, jonka etuna kolmipistetaivutukseen on, että voima jakaantuu taivutettaessa laajemmalle. Tulokset ovat tällöin tarkempia, koska mitä laajemmalle voima on jakaantunut, sitä todennäköisempää on, että on rasitettu näytteen kriittisintä virhettä. Virheen ydintymiskohdan arvioimiseksi, näytteet tutkittiin optisella mikroskoopilla.
Näytteiden pintaan oli sormilla tunnustellen jäänyt jonkin verran karheutta, joka voi toimia murtuman mahdollisena ydintymiskohtana. Mikroskooppitarkastelussa murtumat näyttivät lähteneen etenemään näytteissä yhdestä tai kahdesta kulmasta ja pinnasta tai pinnan läheltä. Weibullin jakaumasta saatiin näytesarjalle sen laatua kuvaavaksi muotoparametriksi alhainen tulos. Tämä kertoo näytesarjan ja siihen liittyen muodonannon huonosta laadusta.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8997]