Materiali compositi in ceramica 3D e catene di processo per stampanti FDM

Esistono diversi metodi per la produzione di materiali ceramici, tra cui lo stampaggio a iniezione di polveri (PIM) e, ovviamente, la stampa 3D. Mentre ceramiche sono ancora considerati un decentemente nuovo materiale stampa 3D, è stato prendendo piede negli ultimi anni in tutti i tipi di applicazioni, da  l’arte  e l’elettronica di militari , aerospaziali e mediche .

La stereolitografia (SLA), la sinterizzazione laser selettiva (SLS), la stampa diretta a getto d’inchiostro in ceramica e la fabbricazione di filamenti fusi (FFF), il metodo di estrusione più comune, sono stati utilizzati per la stampa 3D. Tuttavia, il FFF è spesso usato con materiali termoplastici e ci sono stati alcuni tentativi di modificare, e persino migliorare, le proprietà di questo materiale aggiungendo piccole quantità di diversi materiali in polvere o fibra e persino riempitivi ceramici.

Un team di ricercatori dell’Istituto di tecnologia di Karlsruhe ( KIT ) e dell’Università di Friburgo harecentemente pubblicato un documento intitolato ” Fused Filament Fabrication of Small Ceramic Components “, sul loro lavoro di sviluppo di un nuovo materiale composito ceramico e di una nuova catena di processi per l’efficienza prototipazione rapida economica della ceramica stampata in 3D.

L’abstract dice: “Per quanto riguarda la prototipazione rapida di componenti ceramici, sono noti solo alcuni processi (litografia stereo, binder jetting). In questo lavoro, una nuova catena di processi è descritta in dettaglio, dimostrando che la ceramica può essere stampata in modo molto conveniente. Abbiamo sviluppato un composito polimero-ceramica come materiale filamentoso che può essere stampato su una stampante desktop FFF (Fused Filament Fabrication) a basso costo, anche con piccolissime dimensioni di ugelli che consentono dimensioni geometriche molto piccole. Il post-trattamento termico, con debinding e sinterizzazione, è molto vicino alla catena di processo di stampaggio a iniezione ceramica (CIM). ”
Si possono facilmente stampare oggetti 3D che possono essere debindati e sinterizzati in parti ceramiche dense riempiendo i materiali termoplastici con polvere ceramica alta e solida. I ricercatori hanno sviluppato una catena di processi che spiega come usare stampanti FFF 3D economiche per fabbricare piccoli componenti in ceramica, usando allumina di dimensioni inferiori al micron (Al 2 O 3 , TM-DAR) come polvere ceramica.

“Anche se i componenti finali sono costituiti da ceramica pura, il sistema legante termoplastico è un veicolo temporaneo per consentire la sagomatura e la stabilizzazione delle particelle di ceramica”, hanno spiegato i ricercatori.
(a) Estrusore di filamenti, (b) testina di stampa con filamenti fusi modificati (FFF).
I filamenti sono stati preparati con un estrusore a una vite ei componenti del campione sono stati stampati su una stampante 3D FFF 3D X350pro leggermente modificata da German RepRap .

I ricercatori hanno spiegato: “Le modifiche riguardano le dimensioni dei filamenti di 3 mm anziché 1,75 mm, così come un estrusore Titan con un rapporto di trasmissione di 3: 1.”

I diametri dei filamenti devono rientrare in un intervallo di tolleranza molto piccolo per ottenere risultati di stampa 3D esatti; i diametri degli ugelli fini sono importanti anche per la stampa 3D di piccoli componenti con caratteristiche geometriche che sono intorno o inferiori a 100 μm.

I ricercatori riferiscono che il filamento con “un contenuto solido di allumina al 50% volumetrico” mostra un buon comportamento di stampa 3D, mentre quello con un contenuto solido di 55% in volume deve essere stampato con una dimensione di ugello di 400 μm. Il materiale con il più alto riempimento del 60% in volume deve essere estruso manualmente, ma la viscosità è troppo alta per la stampa 3D. Poiché l’ingranaggio dell’estrusore non è in grado di spostare il filamento lungo, i ricercatori hanno sperimentato la rettifica superficiale, ma non hanno segnalato alcun intasamento degli ugelli quando il contenuto solido è aumentato.

“Abbiamo sviluppato un materiale a filamenti molto pieno e introdotto una catena di processo completa per stampare componenti ceramici tramite FFF”, hanno scritto i ricercatori.

“La coppia di miscelazione e la viscosità dei materiali aumentavano con l’aumentare del contenuto di solidi. I diametri dei filamenti e le deviazioni standard sono diminuiti con l’aumento del contenuto di solidi. I materiali con un contenuto solido di 50% in volume sono molto stampabili con dimensioni degli ugelli fino a 150 μm. Spessori di strati di 80 μm e larghezze di barre di 160 μm potrebbero essere realizzati con strutture dimostrative aperte. Le strutture aperte hanno densità di sinterizzazione del 98,4% della densità teorica; i dischi di prova hanno solo il 97,3%, mentre i campioni stampati a iniezione di ceramica raggiungono il 99,7%. Probabilmente durante il processo di stampa, vengono introdotti pori e cavità, a causa della non completa generazione del percorso utensile da parte dei programmi di taglio. ”
I ricercatori hanno affermato che, poiché la loro catena di processi non richiede strumenti, potrebbe essere un metodo molto promettente per la produzione di prototipi e piccole quantità di oggetti ceramici.

“In base a questi risultati, è possibile generare prototipi e studi di progettazione in modo semplice ed economico”, hanno concluso i ricercatori.
Co-autori includono  Dorit Nötzel,  Ralf Eickhoff  e  Thomas Hanemann.

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