Filament composites with high copper loading for fused deposition modeling 3D-printing

Abstract

Semiconductor of CuO and CuFeO2 complex was successfully prepared by Fuse Deposition Modeling (FDM) 3D printing and sintering technique. The 1.75 mm filament composite, with 39.63 %v of MU03 polymer and 60.37 %v of Cu and Cu-Fe powder, was successfully formed and extruded and printed to different shape and size. All samples were sintered and calcined from Cu to CuO phase and Cu-Fe to CuFeO2 complex phases. The final product was a scaffold structure with almost half density because of polymer removal and oxygen diffusion at 900°C sintering technique. Mechanical properties of the sample were tested, it had a brittle mechanical characteristic like ceramics and the electrical and optical properties of the CuO were observed by Van der paw measurement and UV-Vis absorption spectroscopy, respectively. The CuO semiconductor was used as application like optical, temperature and pressure sensors. This technique could be potential for application in the FDM 3D printing that could print semiconductor and/or related inorganic powder materials with any complex shape.

สารกึ่งตัวนำ CuO และ CuFeO2 complex ถูกเตรียมด้วยเทคนิคการพิมพ์สามมิติแบบหลอม (Fuse Deposition Modelling; FDM) และเทคนิคการเผาตามลำดับ โดยผสมพอลิเมอร์ MU03 39.63% โดยปริมาตรกับผงทองแดงและผงโลหะแล้วทำการอัดพอง (extrude) ขึ้นเป็นลวดเล็กขนาด 1.75 มิลลิเมตรเพื่อผ่านเครื่อง FDM พิมพ์ตัวอย่างชนิดต่าง ๆ ตัวอย่างที่พิมพ์แล้วดังกล่าวได้ถูกเผาที่อุณหภูมิ 900 องศาเซลเซียสเพื่อให้คอมโพสิทเปลี่ยนเฟสเป็นออกไซด์แล้วชิดตัวเข้าหากัน โดยใช้เวลาเผานานถึง 1 ชั่วโมง เพื่อไล่ความเค้นในตัวอย่างออก โครงสร้างภายในดังกล่าวคล้ายโฟมและมีความแข็งเปราะเนื่องจากพอลิเมอร์ได้เผาไล่ออกหมดทำให้ความหนาแน่นของตัวอย่างลดลงนอกจากนี้ CuO ที่ผ่านการพิมพ์และเผาแล้วได้นำ ไปวัดค่าทางไฟฟ้าและทางแสงด้วยวิธี Van der Paw measurement และ UV-Vis absorption spectroscopy เพื่อยืนยันถึงความเป็นสารกึ่งตัวนำ และยัง สามารถนำ ไปประยุกต์ใช้เป็นตัวตรวจวัดแสง ความร้อน และความดัน วิธีดังกล่าวยังสามารถใช้กับวัสดุอนินทรีย์อื่น ๆ ที่เป็นผงได้อีกด้วย