Processamento avançado de materiais cerâmicos: Aplicação de alumina em robocasting

Abstract

The present work is framed in the field of additive manufacturing, also known as 3D printing. The Robocasting technology, employed in this work, is one of the categories of additive manufacturing. It allows the processing of several types of materials, giving rise to a wide variety of items with complex geometries.The aim of this dissertation is to develop pastes of Al2O3 to apply in a Robocasting printer, the Wasp Extruder, in order to enable the printing of ceramic pieces at room temperature. The formulations are based on the cold mixture of a solvent, additives and the inorganic powder, being the final purpose the building of ceramic items with good properties, comparable to other objects produced by different AM technologies.Two different types of alumina pastes were selected to be studied. In the pastes of the 1st type, two different types of aluminium oxide with distinct particle size (D50 ≈ 4 µm and 0,7 µm) were tested. Either Zuzoplast C92 or arabic gum were used as a binder and the influence of a lubricant, glycerin, on the pastes was also tested. Water was always used as the solvent.For the 2nd type of pastes, only one type of aluminium oxide was used and water was kept as solvent. The major difference between this type of paste and the previous one is that, in this case, two binders, PVA and powdered sugar, were used in the same formulation. Moreover, an additional additive was used, oleic acid, with high affinity to alumina.The analysis of the rheological behaviour of the alumina pastes was carried out in a capillary rheometer (Thermo Haake Rheoflixer HT). A predominance of the pseudoplastic behaviour (where the viscosity decreases as the shear rate increases) was observed in the two types of formulations analysed. The viscosity increases as the particle size of the inorganic powder decreases. Several properties of sintered samples obtained from these two types of pastes were evaluated, with regard to their density, porosity and mechanical bending strength. Concerning the densification of the fabricated items, it is observed that the finest particles lead to a higher degree of packing, resulting in denser and less porous pieces. The values of the bending strength still are far from those that can be expected for the two types of pastes here studied.After characterizing the best pastes, these were tested in the Robocasting printer. Based on the results, it was observed that the best formulation for printing belongs to the 2nd type of paste. Notably, in spite of presenting good properties for application in the 3D printer, it gives rise to pieces with worse mechanical properties than the pastes of the 1st type.One of the aims of this work was achieved, the printing of Al2O3 pastes in the Robocasting printer. However, the pieces that were built do not exhibit yet the desired properties, namely in terms of densification level and strength. Therefore, further work will be needed for the optimization of conditions and tuning of formulations to achieve improved properties of the sintered items.

O presente trabalho insere-se na temática da fabricação aditiva ou também denominada de impressão 3D. A tecnologia robocasting está contida numa das categorias de fabricação aditiva e apresenta-se capaz de processar diferentes tipos de materiais e de originar uma ampla variedade de peças com geometrias complexas. Esta é a tecnologia usada no presente trabalho.O objetivo desta dissertação passa por desenvolver pastas em Al2O3 para aplicação numa impressora robocasting, a WASP Extruder, de maneira a que seja possível imprimir peças cerâmicas à temperatura ambiente. Estas formulações baseiam-se na mistura a frio de um solvente, aditivos e de um pó inorgânico, e deseja-se construir peças com boas propriedades, podendo ser comparadas com outros objetos originados por diferentes tecnologias AM.De acordo com o estudo prévio realizado optou-se por estudar dois tipos de pastas de alumina.Nas pastas do 1º tipo foram experimentados dois tipos de óxidos de alumínio com granulometrias distintas (D50 ≈ 4 µm e 0,7 µm). Como ligantes usou-se o Zuzoplast C92 ou a goma arábica, testando ainda a influência de um lubrificante nas pastas, a glicerina. Como solvente usou-se a água.Para o segundo tipo de pastas formuladas aplica-se apenas um tipo de óxido de alumínio, mantendo-se a água enquanto solvente. A grande distinção ente este tipo de pastas e o anterior é que, neste caso, são usados dois ligantes na mesma formulação, o PVA e o açúcar em pó, bem como um aditivo adicional, o ácido oleico, caracterizado pela sua grande afinidade com o pó inorgânico, alumina.Um dos principais pontos estudados nas formulações prende-se com a análise do comportamento reológico, tendo-se usado um reómetro capilar (Thermo Haake Rheoflixer HT). Verificou-se que o comportamento pseudoplástico (onde a viscosidade diminui com o aumento da taxa de corte) predomina entre os dois tipos de formulações analisadas. A viscosidade é tanto maior quanto menor a granulometria do pó inorgânico.Avaliaram-se ainda várias propriedades de provetes sinterizados obtidos com estes dois tipos de pastas, ao nível das massas volúmicas, porosidades e resistência mecânica à flexão. Relativamente à densificação das peças, verifica-se que as partículas mais finas conduzem a um maior grau de empacotamento, resultando peças mais densas e menos porosas. Os valores relativos às resistências à flexão alcançados ficam ainda muito aquém do espectável para ambos os tipos de pastas analisadas.Depois de caracterizadas as melhores pastas, testam-se na impressora robocasting. Com base nos resultados, verifica-se que a melhor formulação para impressão resulta do 2º tipo de pastas estudadas (Al1_PVA_A12). É de notar que apesar de apresentar boas propriedades para aplicação na impressora 3D, gera peças com piores propriedades mecânicas que as pastas do 1º tipo.Um dos objetivos do trabalho foi atingido, a impressão de Al2O3 em robocasting. No entanto, as peças construídas não possuem as propriedades desejadas, quer ao nível de densificação, quer ao nível da resistência, havendo ainda um longo caminho a percorrer.