Técnicas de manufatura aditiva de cerâmicos: design de formulações e produção de componentes

Abstract

A importância dos materiais cerâmicos e das técnicas de manufatura aditiva (AM) são os temas que melhor contextualizam o presente projeto. O tema proposto recorre a diferentes técnicas de AM e teve como objetivo desenvolver arquiteturas para aplicações utilitárias, técnicas e biomédicas. Pretendeu-se estudar principalmente três tipos de materiais cerâmicos: um cerâmico tradicional-porcelana e cerâmicos técnicos-vidro bioativo e carboneto de tungsténio (WC). Foram utilizadas três técnicas de AM: impressão 3D (3DP), robocasting (R3D) e fabricação por filamento fundido (FFF) recorrendo a formulações cerâmicas e compósitas de matriz polimérica. Com base no conhecimento e na caraterização de alguns materiais comerciais, utilizados nas diferentes tecnologias, foram preparadas várias formulações de materiais cerâmicos (porcelana, vidro bioativo e WC). Formulações de pós, suspensões ou pastas e sólidos em forma de filamento foram preparadas de acordo com a tecnologia AM que se pretende aplicar. No caso da porcelana e WC, foram utilizadas matérias-primas industriais. No caso das formulações de composição vítrea, foram utilizados vidros identificados, em trabalhos anteriores, como detentores de caraterísticas bioativas favoráveis à engenharia de tecidos. Para melhor adaptabilidade das formulações realizaram-se alguns estudos específicos das propriedades, particularmente importantes nas técnicas de AM (ex: análises morfológicas, análise da distribuição granulométrica, estudo de ângulos de contato, análises reológicas, estudos de interações de partículas ou estudos cinéticos da cristalização). Para a AM das formulações desenvolvidas, realizou-se um estudo sistemático dos parâmetros processuais mais relevantes (ex: velocidade de impressão, pressão de deposição, gradiente de temperaturas, diâmetro do bico). As análises do efeito destes parâmetros nos modelos produzidos, por AM, permitiram determinar as condições mais adequadas para a transformação dos materiais cerâmicos. Os modelos foram sujeitos a etapas de pósprocessamento, inclusive tratamentos térmicos, que foram estudados e ajustados para maximizar as caraterísticas mecânicas dos modelos. Os materiais e modelos otimizados foram caraterizados a nível dimensional, morfológico, estrutural e mecânico. Este trabalho demonstrou a potencialidade da AM de cerâmicos nas três aplicações em estudo. No caso da manufatura da porcelana, apesar da técnica 3DP permitir maior liberdade formal, foi com a técnica de R3D que se obtiveram melhores desempenhos mecânicos e físicos. Os resultados obtidos por FFF foram promissores, mas não permitiram a produção de peças densas. No caso do vidro bioativo, a 3DP revelou ser adequada para a obtenção de arquiteturas porosas para aplicações de regeneração de tecidos. As propriedades mecânicas foram otimizadas com a incorporação de matrizes biodegradáveis que permitiram a manufatura de scaffolds por técnicas de extrusão de material. A manufatura de WC por R3D permitiu a produção de peças complexas densas com propriedades enquadradas nos padrões industriais de ferramentas e componentes de metal duro. No caso dos compósitos de WC para FFF serão necessários mais estudos de otimização das formulações que permitam o processamento de filamentos com elevadas cargas de sólidos.

The presented thesis is developed in the context of ceramic materials' relevance to additive manufacturing (AM) techniques. The proposed theme uses different AM techniques with the objective of developing strategies for utilitarian, technical and biomedical applications. The work includes studying three different ceramic materials: traditional ceramic - porcelain and technical ceramics-bioactive glass and tungsten carbide (WC). Three AM techniques were used: 3D printing (3DP), robocasting (R3D) and fused filament fabrication (FFF) using ceramics and polymer matrix composite formulations. Grounded on the knowledge and characterization of some commercially available materials, used in different AM technologies, various formulations of ceramic materials (porcelain, bioactive glass and WC) were prepared. The formulations were processed into powder, suspension or pastes and solid filaments depending on the AM technology to be used. In case of porcelain and the WC, industrial raw materials were used. For the glass-based compositions, compositions with bioactive characteristics favorable to tissue engineering were selected and identified in previous works. Several specific studies were carried out to assess the better adaptability of the formulations to the AM requirements (e.g.: morphological analyses, analysis of granulometric distribution, contact angles analysis, rheological analyses, studies of particle interactions or crystallization kinetic studies). For the AM of the developed formulations, a systematic study focusing on the most relevant processing parameters was carried out (e.g.: print speed, deposition pressure, temperature gradient, nozzle diameter). The effect of processing parameters on AM models allowed to determine the most suitable conditions for transforming ceramic materials. The models were subjected to post-processing operations, including heat treatments, which were studied and adjusted to maximize the material's mechanical properties. The optimized materials and models were characterized at a dimensional, morphological, structural and mechanical level. This work has demonstrated the potential of AM of ceramics in the three applications under study. In the case of porcelain AM, despite the broader formal freedom of 3DP, R3D proved to obtain better mechanical and physical performances. The results achieved by FFF were promising but did not allow the manufacture of dense parts. Regarding bioactive glass, 3DP proved to be suitable for the manufacturing of porous architectures for tissue regeneration applications. The mechanical properties were optimized with the incorporation of biodegradable matrices that allowed the manufacture of scaffolds by material extrusion techniques. WC processing by R3D allowed the production of dense complex parts with properties that meet industry standards for carbide tooling and components. In the case of FFF with WC composites, further studies are needed to optimize formulations that allow the processing of filaments with higher solid loads.