Fabrico rápido de produtos em porcelana por robocasting

Abstract

O presente trabalho propõe-se a divulgar uma técnica de fabrico aditivo de materiais, o robocasting, em produtos de porcelana. Vulgarmente chamado de “Impressão 3D”, este método de processamento de materiais tem vindo a ser usado como alternativa à produção de peças de elevado rigor em tempo reduzido. No campo dos materiais cerâmicos, o estudo das condições ideais para a produção de peças por robocasting, tem sido alvo de foco principalmente quando destinado à área de saúde. O trabalho desenvolvido inclui as etapas de (i) preparação de pastas para robocasting utilizando a matéria-prima proveniente da Costa Verde para produção de diferentes suspensões com quantidades elevadas de sólidos e a mínima possível de aditivos; (ii)caracterizações mineralógica, térmica, morfológica das partículas e reológica de suspensões, bem como a otimização de pastas; (iii) impressão com as pastas de porcelana otimizadas e caracterização de corpos impressos. A suspensão original usada nos processos convencionais da Costa Verde serve de base a todo o estudo efetuado, bem como os aditivos comuns da empresa, acrescentando posteriormente, outros com vários estudos na área: a polietilenoimina (PEI) e a carboximetilcelulose (CMC). Foram produzidas várias suspensões cerâmicas e caracterizadas, química, morfológica térmica e reologicamente, fazendo-se as devidas otimizações atingindo o objetivo final: corpos de porcelana impressos usando pastas para robocasting. Os melhores resultados demonstram que uma suspensão homogénea, desaglomerada com um tamanho de partícula máximo de 10 μm, tendo 62.5 wt% de sólidos, 0.35 wt% de Dolapix, 0.15 wt% de KV (como desfloculantes) e 0.15 wt% de PEI tem o comportamento viscoelástico necessária para uma deposição robótica, associado a uma velocidade de corte de 100 s-1. É comparado o comportamento reológico de pastas com aditivos diferentes (PEI e CMC) e distinguido qual o aditivo PEI como o mais propício a utilizar, para concentrações de sólidos e distribuição granulométrica fixas. Além disso, com as micrografias obtidas foi possível averiguar que os corpos impressos possuem alguma porosidade sendo que esta é de maior dimensão para provetes fabricados a partir de suspensões com CMC. Também a absorção de água é maior para provetes provenientes de pastas com CMC, dentro da amostragem estudada.

This work proposes to disclose an additive manufacturing technique, robocasting, in porcelain products. Commonly called "3D Printing", this method of processing materials has been used as an alternative to produce pieces of high stringency in a short time. In ceramic materials, there has been a great study about the ideal properties to produce by robocasting, for instance in ceramic biomaterials. The work includes different steps such as: (i) preparing robocasting pastes, using the raw material from Costa Verde company, for the production of different suspensions with high solid content and the minimum amount of additives, (ii) mineralogical, termal, morphological and rheological characterization of the particle suspensions, and also the optimization of this pastes; (iii) printing with optimized porcelain pastes and characterization of printed bodies. The original suspension produced for conventional fabrication processes at Costa Verde is the starting point of this work, as the common additives used by the company, adding after that other reagentes with several studies in this área: polyethylenimine (PEI) and carboxymethyl celulose (CMC) The ceramic suspensions were characterized: chemical, thermal, morphological and rheological, doing the necessary optimizations to reach the ultimate goal: printed porcelain bodies using optimazed pastes for robocasting. The results demonstrate that a homogeneous, deagglomerated suspension having a maximum particle size of 10 μm, and 62.5 wt% solids, 0.35 wt% dolapix, 0.15 wt% KV (as deflocculants ) and 0.15 wt% PEI has a viscoelastic behavior needed for a robotic deposition associated with a shear rate of 100 s-1. It is done a rheological comparison between pastes with different additives (PEI and CMC) and chosen the one that provides better results, to a fixed solid concentration suspension with a certain granulometric distribution. In addition, with the obtained micrographs it is possible to inquire that the printed bodies have some porosity. The samples printed using ceramic suspensions with CMC had a largest amount of this porosity. Also, the water absorption is higher in printed bodies that coming from pastes with CMC.