Fabrico de estruturas 3D à base de alumina/zircónia por manufatura aditiva

Abstract

A manufatura aditiva tem vindo a ser bastante explorada para diversos materiais existindo ainda uma necessidade eminente no desenvolvimento de cerâmicos por esta tecnologia. O presente trabalho teve por objetivo demonstrar a possibilidade de utilização de técnicas de manufatura aditiva, nomeadamente o robocasting, no processamento de cerâmicos densos à base de alumina, zircónia e uma mistura 20-vol.% zirconia e 80-vol.% alumina.

Para tal, o trabalho foi realizado nas seguintes etapas: 1) preparação de pastas para impressão por robocasting, otimizando concentrações de sólidos e quantidades de aditivos orgânicos, nomeadamente, carboximetilcelulose e polietilanimina; 2) caracterização reológica das suspensões e pastas; 3) desenho de estruturas em forma de paralelepípedo em CAD e impressão dessas estruturas por robocasting; 4) sinterização das peças obtidas; 5) caracterização das peças sinterizadas através de medidas de retracção, densidade, análise microestrutural, resistência mecânica à flexão e ensaios de dureza.

Para todas as composições estudadas, as pastas obtidas mostraram ter propriedades reológicas adequadas para o processo de impressão por robocasting. As estruturas 3D após sinterização apresentaram densidades relativas na ordem de 95,5 %, 96,3 % e 97,2 %, respetivamente, para a alumina, mistura alumina/zircónia e zircónia sinterizadas a 1550 °C. Os valores de resistência à flexão apresentaram-se em concordância com a densificação de cada composição, isto é, obtenção de resistências superiores para as estruturas 3D de zircónia (231,4 ± 37,9 MPa), seguida da mistura alumina/zircónia (219,9 ± 21,2 MPa) e por fim da alumina (152,3 ± 6,9 MPa). Pela análise microestrutural, verificou-se que em todas as composições as junções entre filamentos não densificaram durante a sinterização, justificando os baixos valores obtidos, quer para densidades quer para resistência à flexão, quando comparados com valores retirados da literatura para os mesmos materiais obtidos por técnicas convencionais. A introdução de 20-vol.% de zircónia em alumina melhorou a tenacidade à fratura, de acordo com o esperado. O trabalho desenvolvido mostrou que o robocasting é uma técnica promissora para a produção de cerâmicos técnicos, embora sejam necessários estudos adicionais para melhorar as propriedades mecânicas finais das peças.

Additive manufacturing has been widely exploited for various materials being still the development of ceramics by this technology an imminent need. The main goal of the present work is to develop dense ceramics based on alumina, zirconia and a mixture of both, by using an additive manufacturing technique, namely robocasting. To attain that, the work was divided in five steps: 1) inks preparation for robocasting by optimizing solids loadings and organic additive amounts, in particular carboxymethyl cellulose and polyethylenimine; 2) rheological characterization of suspensions and inks; 3) design of parallelepiped structures by using CAD and printing them by robocasting; 4) sintering the obtained structures; and finally, 5) characterization of sintered materials through shrinkage, density, flexure strength, hardness measurements, as well as microstructural analysis. All the different ink’ compositions showed adequate rheological properties for printing by robocasting process. The sintered 3D structures at 1550 °C revealed relative densities around 95,5 %, 96,3 % and 97,2 % for alumina, alumina/zirconia mixture and zirconia, respectively. The flexural strength results agreed with the density values obtained for each composition, i.e., superior flexural strength for 3D structures of zirconia (231,4 ± 37,9 MPa), followed by a mixture of alumina/zirconia (219,9 ± 21,2 MPa) and alumina (152,3 ± 6,9 MPa). From microstructural analysis, it was found that in all compositions the connections between filaments did not densify during sintering, justifying the low values obtained for densities and flexural strength, when compared with literature properties for the same materials obtained by conventional techniques. The addition of 20-vol.% zirconia in alumina enhanced the fracture toughness, as expected. The present work revealed that robocasting is a promising technique to produce technical ceramics, although further studies will be necessary to improve the final mechanical properties of the parts.