Study of formulations for additive manufacturing by technical ceramic robocasting

Abstract

O interesse na manufaturação aditiva, particularmente na impressão 3D, tem crescido diariamente, permitindo otimizar os procedimentos de fabricação e também sendo capaz de fabricar objetos com uma geometria mais complexa ou mais simples em menos tempo e com menor custo associado. Nos últimos anos, novas tecnologias de impressão 3D foram criadas ou as existentes foram melhoradas. O objetivo desta dissertação é aplicar uma das tecnologias disponíveis, robocasting, à criação de peças de alumina e também avaliar os efeitos que o gel de aluminossilicato causa na pasta e na peça final, quando é usado na sua formulação como ligante.Como a alumina é uma cerâmica técnica com excelentes propriedades (isolamento térmico e resistência/dureza mecânica), este estudo visa avaliar a capacidade de impressão da pasta cerâmica e também avaliar os diferentes locais de trabalho em que os corpos cerâmicos podem ser impressos e secos e, no final, avaliar as propriedades das peças finais projetadas de acordo com o modelo CAD.Neste trabalho, diferentes formulações foram produzidas e estudadas, a primeira pasta foi produzida tomando a formulação que apresentou os melhores resultados no trabalho, pelo qual foi a formulação como referência a ser guiada e, em seguida, removeram-se alguns compostos, deixando no final uma pasta composta apenas por alumina, água, lubrificante (Zusoplast 126/3) e plastificante (Zusoplast C92). Na abordagem seguinte, produziu-se um gel de aluminossilicato para o incorporar na formulação da pasta e atuar como aglutinante, devido às suas cadeias longas e ramificadas. Este gel foi produzido pela técnica sol-gel, numa primeira fase com TEOS (razão molar TEOS:H2O de 1:45), Al(NO3)3 (razão molar Al(NO3)3:H2O de 1:15), TEA (razão molar TEA:H2O de 1:5,5) e água. Em seguida, um segundo gel foi produzido semelhante ao primeiro, com os mesmos compostos nas mesmas quantidades, mas foi acrescentado PEG (razão massica PEG:Al(NO3)3 de 1:11), a fim de melhorar a integridade do gel. Então, decidiu-se substituir o plastificante pelo primeiro gel na formulação (Pasta 2), mas esta pasta não mostrou a consistência necessária. Como os resultados obtidos nesta pasta tinham espaço para melhorias, produziu-se o gel de aluminossilicato com PEG (segundo gel). Mais tarde, considerou-se interessante estudar o comportamento observado na pasta e, na parte final, quando o segundo gel foi adicionado à formulação, sem substituir nenhum composto (Pasta 3). Em vista dessa mudança, foi produzida a Pasta 4, onde o segundo gel substituiu a solução de plastificante. Finalmente, as duas últimas pastas produzidas neste trabalho, tiveram uma abordagem diferente (Pastas 5 e 6). Estas foram produzidas com a intenção de ter uma formulação idêntica à Pasta 1, aumentando apenas a carga sólida, ou seja, a quantidade de alumina. Neste trabalho, o mesmo pó cerâmico (D90 = 2 μm) sempre foi usado e um pré-tratamento de moagem foi sempre realizado, a fim de garantir que não haja aglomeração de partículas cerâmicas dentro da pasta.Para analisar a adequação das pastas cerâmicas, a sua humidade, carga de sólidos, comportamento reológico, dureza e adesão superficial foram avaliadas. Para a caracterização das peças sinterizadas, a densificação (densidade e porosidade) foi estudada.Verificou-se que uma pasta cerâmica adequada para impressão deve se encaixar em alguns laços adequados, a fim de permitir uma boa adesão da superfície e a manutenção da forma durante o processo de impressão. Foram utilizados dois equipamentos de robocasting diferentes (impressoras WASP e LUTUM) e observou-se que o mais recente (LUTUM), não apenas extrude o filamento de maneira mais precisa, mas também precisa de pressões mais baixas para executar o processo de impressão. Na impressora WASP, notou-se que pastas com elevada viscosidade tiveram alguma dificuldade para serem extrudidas; pastas que têm viscosidades aparentes acima de 5500 Pa.s a uma taxa de corte de 0,5 s^-1 induzem dificuldades de impressão, exigindo altas pressões.As características finais das peças sinterizadas dependiam essencialmente da ligação dos filamentos durante o processo de impressão e da capacidade da peça cerâmica de densificar durante a sinterização. A ligação dos filamentos não é influenciada apenas pelos aditivos usados, mas também pelos parâmetros da impressora 3D estipulados nos parâmetros de CURA, mas também pelos parâmetros que podem ser manipulados na máquina AM (a velocidade da cabeça, a pressão utilizada e o caudal extrudido). A cabeça de robocast deve garantir o esmagamento perfeito entre os filamentos, a fim de evitar espaços vazios que afetam o processo de densificação, levando a uma peça porosa. Outro aspecto que influencia a ligação dos filamentos é a geometria da peça, pois peças mais complexas têm mais dificuldade em unir os filamentos, devido à sua forma, o que resulta numa diminuição da área de contato entre os filamentos, levando a mais espaços vazios na peça. Por outro lado, foi possível obse

The interest in additive manufacturing, particularly in 3D printing, has been growing daily, allowing to optimize the fabrication procedures and also being able to manufacturing objects with a more complex or a simpler geometry in less time and with lower cost associated. In recent years, new 3D printing technologies have been created or existing ones have been improved. This dissertation's goal is to apply one of the available technologies, robocasting, to the creation of alumina parts, and also to evaluate the effects that an aluminosilicate gel causes in the alumina paste and in the final part, when it is used in its formulation as a binder. Because alumina is a technical ceramic with excellent properties (thermal insulation and mechanical strength/hardness), this study aims to evaluate the printability of the ceramic paste when varying its composition, and also evaluating the different workplaces where the ceramic bodies can be printed and dried, and in the end evaluating the properties of final parts designed according to the CAD model. In this work, different formulations were produced and studied; our first paste was produced taking the formulation which presented the best results in the previous work that we considered as reference, and then we simplified it by removing some compounds and leaving in the end a paste consisting only of alumina, water, lubricant (Zusoplast 126/3) and plasticizer (Zusoplast C92). The next approach was to produce an aluminosilicate gel in order to incorporate it in the paste formulation and act as a binder, due to its long-ramified network and affinity with the alumina particles. This gel was produced by sol-gel technique, in a first phase with TEOS (molar ratio TEOS:H2O of 1:45), Al(NO3)3 (molar ratio Al(NO3)3:H2O of 1:15), TEA (molar ratio TEA:H2O of 1:5.5) and water. Then a second gel was produced similar to the first one with the same compounds in the same amounts, but we added PEG (mass ratio PEG:Al(NO3)3 of 1:11), in order to improve the viscoelastic behavior of the gel. Then we decided to substitute the plasticizer for the first gel in the formulation (Paste 2), but this paste didn’t show the required consistency. Since the results obtained in this paste had room for improvement, we decided to produce the aluminosilicate gel with PEG (second gel). Later on we thought it would be interesting to study the behaviour we would observe in the paste and in the final part, when we added the second gel to the formulation, without replacing any compound (Paste 3). In view of this change, we produced Paste 4 where the second gel, replaced the plasticiser solution. Finally, the last two pastes produced in this work had a different approach (Pastes 5 and 6); these were produced with the intention of having an identical formulation to the Paste 1, only increasing the solid load, i.e. the amount of alumina. In this work the same ceramic powder (D90= 2 μm) was always used and a pre-treatment of milling was always carried out, in order to guarantee that there is no agglomeration of ceramic particles within the paste.In order to analyse the suitability of the ceramic pastes, their humidity, solid load, rheological behaviour, hardness and surface adhesion were evaluated. For the sintered parts characterization, the densification (density and porosity) was studied.It was verified that a suitable ceramic paste for printing should fit some properties, in order to allow a good surface adhesion and the shape maintenance during the printing process. We worked with two different robocasting equipment (WASP and LUTUM printers) and we observed that the more recent one (LUTUM), not only extrudes the filament in a more precise way, but also needs lower pressures to execute the printing process. In the WASP printer we noticed that high viscosity pastes posed some difficulty to be extruded; pastes that have apparent viscosities above 5500 Pa.s at a shear rate of 0.5 s^-1 induce printing difficulties, requiring high pressures.The final characteristics of the sintered parts depended essentially on the filaments bonding during the printing process and on the capacity of the ceramic part to densify during the sintering. The bonding of the filaments is not only influenced by the additives used, but also by the 3D printer parameters stipulated on the slicer software (CURA) but also the parameters that can be manipulated on the AM machine (printing speed, pressure used and flow rate extruded). The robocasting’s head must ensure the perfect crush between filaments, in order to avoid empty spaces that affect the densification process, leading to a high porous part. Another aspect that influences the bonding of the filaments is the geometry of the part, as more complex parts lead to less bonded filaments, due to the printing path. On the other hand, it was possible to observe that some additives could enhance the densification, for example the utilization of gel with PEG (second gel) allows better bondin