Additive manufacturing of advanced ceramics by digital light processing: equipment, slurry, and 3D printing

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Data
2022-11-25
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USP

Resumo

A manufatura aditiva (MA) ou impressão 3D é um conjunto de tecnologias que fabrica corpos pela adição sucessiva de camadas. Tal técnica já é aplicada em todas as classes de materiais. Na fabricação cerâmica, a MA permite a produção de corpos em pequena escala, com maior liberdade de forma, menor custo e prazo de entrega reduzido. Dentre as tecnologias de MA, a fotopolimerização em cuba se destaca pela capacidade de produzir peças cerâmicas com excelente precisão dimensional e acabamento superficial. Contudo, existe uma escassez de equipamentos comerciais destinados a produzir cerâmica, baseados nessa tecnologia e com preço acessível, visto os desafios de lidar com a matéria-prima com alto carregamento de partículas. Neste trabalho, que aborda a fabricação de cerâmica avançada por fotopolimerização por projeção, foi testada a viabilidade do uso de um protótipo de impressora 3D top-down e de uma impressora comercial bottom-up comum (usualmente empregada na impressão 3D de polímeros) no processamento de materiais cerâmicos. Para isso, um protótipo de impressora 3D foi projetado e construído, criando-se um sistema de recobrimento inovador (patente depositada), composto por duas lâminas com funções distintas e sequenciais. Esse sistema visa superar o desafio de criação de camadas para as suspensões cerâmicas, que usualmente apresentam alta viscosidade. Além disso, suspensões fotopolimerizáveis foram desenvolvidas buscando atender os requisitos do processo relacionados ao alto carregamento cerâmico, comportamento reológico, parâmetros fotossensíveis e estabilidade. Os pós cerâmicos foram selecionados para avaliar o processo usando grupos distintos de cerâmica avançada: pó nanométrico (3Y-TZP) e pó submicrométrico (mulita eletrofundida). Além disso, a combinação de matéria-prima natural (zirconita) com alumina foi usada para investigar a formação in situ de compósitos mulita-zircônia em peças impressas. Assim, suspensões fotopolimerizáveis cerâmicas baseadas em um pó nanométrico de zircônia (3Y-TZP) foram desenvolvidas e caracterizadas, selecionando-se os componentes (monômero, fotoiniciador e dispersante) apropriados. Desta forma, obteve-se uma barbotina cerâmica capaz de validar o protótipo desenvolvido e fabricar corpos cerâmicos verdes. Contudo, a mesma formulação não foi adequada na impressora 3D comercial, devido ao seu comportamento reológico não ser compatível com o equipamento. Por sua vez, o pó submicrométrico de mulita permitiu o preparo de formulações com alto carregamento sólido (até 50 %v/v). Essas novas formulações foram usadas com sucesso nos dois equipamentos testados. Ainda, a formulação baseada na mistura de pós cerâmicos (zirconita e alumina) mostrou que a técnica pode ser combinada com sinterização reativa para criar compósitos in situ de mulita e zircônia. Após análise da decomposição térmica, um protocolo para o tratamento térmico foi criado e os corpos impressos foram submetidos à queima dos componentes orgânicos e sinterização. Ambos os equipamentos testados se mostraram capazes de criar peças cerâmicas densas (>95%) e com geometrias que seriam inviáveis ou até mesmo impossíveis por outros métodos de fabricação. As diversas caracterizações dos corpos sinterizados (resistência mecânica, microestrutura, etc.) indicam que ainda existem limitações quando a presente rota é comparada com os processos convencionais de fabricação. Por fim, acredita-se que o presente estudo contribui para o conhecimento relacionado à manufatura aditiva de cerâmicas e destaca-se por apresentar uma abordagem acessível aos laboratórios e pequenos fabricantes de produtos cerâmicos.


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