Processamento de pastas de alumina por robocasting

Abstract

O interesse na impressão 3D tem crescido gradualmente de dia para dia, permitindo quer a otimização de muitos processos produtivos, quer a produção de peças com uma geometria cada vez mais complexa num menor espaço de tempo e, em alguns casos, com menores custos. Ao longo dos últimos anos, tem-se observado o desenvolvimento de novas técnicas de impressão 3D ou a otimização das técnicas já existentes. Assim, nesta dissertação pretende-se adaptar uma técnica já existente – robocasting – à produção de peças em alumina.Sendo a alumina um cerâmico técnico com boas propriedades (isolamento, funções químicas e resistência mecânica), neste estudo avalia-se a sua adequabilidade para o processo de impressão e as propriedades do material e das peças finais obtidas por este processo de conformação. Com base na bibliografia encontrada, optou-se por realizar um estudo com várias formulações agrupadas em dois sistemas (S e Z), associados aos diferentes aditivos usados, e com pós de duas granulometrias (0,4 μm e 4 μm). No sistema S elaboraram-se pastas de alumina com os aditivos: sacarose, álcool polivinílico e ácido oleico, enquanto que no sistema Z, as pastas foram preparadas com os aditivos: Zusoplast C92, Zusoplast 126/3, sacarose e ácido cítrico.Para estudar a adequabilidade das pastas elaboradas, avaliaram-se a humidade, a carga de sólidos, o comportamento reológico, a plasticidade, a adesão a superfícies, a dureza e a propensão para o envelhecimento. Por sua vez, para a caracterização dos materiais sinterizados obtidos, optou-se por avaliar a densificação (através da determinação das massas volúmicas e porosidades), a resistência mecânica e observação da sua estrutura interna por microscopia.Verificou-se que pastas adequadas para a impressão têm gamas muito restritas de propriedades, de forma a permitirem a impressão com boa adesão à plataforma e à manutenção da forma da peça durante a impressão. Além disso, verificou-se que a impressora não tem capacidade para imprimir pastas com viscosidades muito elevadas; pastas que apresentem uma viscosidade aparente de 6000 Pa.s a uma taxa de corte de 0,5 s-1 já oferecem muitas dificuldades para impressão às pressões utilizadas (até 7 bar).Ao nível das peças sinterizadas, observou-se que as características obtidas dependem essencialmente da capacidade de união entre os filamentos durante a impressão e da capacidade do pó cerâmico para densificar durante o tratamento térmico. A união dos filamentos é influenciada não só pelos aditivos usados, mas também pelos parâmetros da impressora, sendo que se deve garantir o esmagamento perfeito entre filamentos, nem insuficiente nem excessivo, de forma a evitar a existência de espaços vazios que dificultem a densificação ou a ocorrência de defeitos de forma, respetivamente. Por outro lado, verificou-se que a alumina mais fina permite alcançar densificações maiores e com maior crescimento de grão. Foi ainda possível observar que determinados aditivos podem promover a densificação, verificando-se que a utilização do Zusoplast C92 permite maior ligação entre partículas, originando peças mais densificadas. Os melhores resultados foram obtidos com duas das formulações, uma do sistema S e outra do sistema Z. A do sistema S – 9,9%(m/m) de sacarose, 0,4%(m/m) de álcool polivinílico e 2,0%(m/m) de ácido oleico – permitiu as melhores impressões, graças à sua menor viscosidade, sem que tal não comprometesse demasiado as propriedades finais das peças. A do sistema Z – 0,1%(m/m) de Zusoplast C92, 0,7%(m/m) de Zusoplast 126/3, 4,9%(m/m) de sacarose e 0,1%(m/m) de ácido cítrico, com a qual se alcançou as melhores densificações (Pt≈6%) e resistências (σfs≈150 MPa), tendo, no entanto, apresentado algumas dificuldades de impressão a baixas pressões.

The interest in the 3D printing has been growing every day, allowing not only the optimization of fabrication procedures but also the production of objects with a more complex geometry in less time and sometimes with less costs. In the last years, it was seen the development of new 3D printing technologies or the optimization of the ones that exist. In this way, the purpose of this dissertation is to adapt one of the existent technologies – robocasting – to the production of alumina objects.Being alumina a technical ceramic with good properties (isolation, chemical inertia and mechanical strength/hardness), this study aims to evaluate the printability of the ceramic body and the properties of the material and the final objects designed by this conformation process. According to the literature, different formulations were studied, grouped in two systems (S and Z), associating different additives, and alumina powders, with two different particle sizes (0,4 μm e 4 μm). For system S, the following additives were used: sucrose, polyvinyl alcohol and oleic acid, on the other hand, in system Z, the ceramic bodies were formulated with the additives: Zusoplast C92, Zusoplast 126/3, sucrose and citric acid. In order to analyse the suitability of the ceramic bodies, their humidity, solids content, rheological behaviour, plasticity, surface adhesion, rigidity and aging were evaluated. For the sintered objects characterization, the densification (through the density and porosity), the mechanical strength and internal structure (SEM) were assessed.It was verified that a good ceramic body for printing should fit a small range of properties, in order to allow a good surface adhesion and the shape maintenance during the printing process. Besides that, it was concluded that the 3D printer doesn’t work well with high viscosities; apparent viscosities above 6000 Pa.s at a shear strain of 0,5 s-1 induce printing difficulties at the allowed pressures (7 bar).The final characteristics of the sintered objects depended essentially on the filaments bonding during the printing process and on the capacity of the ceramic powder to densify during the sintering. The filaments bonding is not just influenced by the used additives but also by the 3D printer parameters, that must ensure the perfect crush between filaments, neither insufficient nor excessive, in order to avoid empty spaces that interfere in the densification or the occurrence of shape imperfections in the objects, respectively. On the other hand, it was verified that the alumina with smaller particle size allows higher densifications and grain growth. It was still possible to observe that some additives could enhance the densification, for example the utilization of Zusoplast C92 allows better bonding between the particles, producing more dense objects.The best results were obtained with two formulations, one of the system S and the other of the system Z. For the system S, the formulation with 9,9%wt of sucrose, 0,4%wt of polyvinyl alcohol and 2,0%wt of oleic acid provide the best printing, for its lower viscosity, without compromising too much the properties of the final objects. The one of the system Z, with 0,1%wt of Zusoplast C92, 0,7%wt of Zusoplast 126/3, 4,9%wt of sucrose and 0,1%wt of citric acid, achieved the best densification (Pt≈6%) and mechanical strength (σfs≈150 MPa), leading however to some difficulties during the printing at a low pressure (7 bar).