Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/40001
Title: Otimização de parâmetros de impressão no fabrico de componentes à base de nitreto de silício por robocasting
Author: Pereira, Maria João Fernandes
Advisor: Olhero, Susana Maria Henriques
Silva, Rui Ramos Ferreira e
Keywords: Si3N4
Manufatura aditiva
Robocasting
Parâmetros de impressão
Reologia
Densidade
Resistência à flexão
Dureza
Microestrutura
Defense Date: 2023
Abstract: O nitreto de silício (Si₃N₄) é um material cerâmico amplamente usado nas áreas automóvel, aeroespacial e biomédica, devido à sua combinação única de propriedades, incluindo a resistência mecânica, alta dureza e resistência ao desgaste. A conformação de peças de Si₃N₄ é comumente realizada por métodos convencionais, como prensagem e processamento coloidal. Estes métodos têm algumas limitações para a obtenção de peças com geometrias complexas, e estão normalmente associados a elevados custos de produção. Neste contexto, a manufatura aditiva (MA) tem vindo a ser explorada como uma alternativa promissora. O objetivo deste trabalho é avaliar a influência dos parâmetros de impressão, na densidade e desempenho mecânico de amostras de Si₃N₄ obtidas por uma técnica de manufatura aditiva por extrusão, o robocasting. Os parâmetros de impressão estudados foram: o diâmetro de ponta (410, 330, 250, 150 µm), preenchimento interno (0° e 90°), velocidades de impressão (5, 10, 15, 20, 25 mm/s) e pós-processamento (prensagem isostática a frio - CIP) no fabrico de amostras com geometria cilíndrica, fixando a composição da pasta. Adicionalmente, foi efetuado um estudo de otimização das propriedades reológicas da pasta para impressão em diâmetros de ponta de 330 µm ou inferiores. Numa fase final do trabalho foi feito um estudo preliminar na tentativa de avaliar o diâmetro mínimo de perfuração, capaz de ser obtido por robocasting, com precisão, ou seja, sem obstrução. Os resultados mostraram que, para a mesma composição de pasta e independentemente do tamanho de ponta de impressão (410 ou 330 µm), o preenchimento interno de 0° deu origem a amostras com menos defeitos e consequentemente, valores superiores de densidades relativas, quando comparado com o preenchimento de 90°. A utilização de prensagem isostática a frio após a impressão também deu origem a melhores densidades relativas para todas as condições, tendo-se obtido valores máximos de densidade relativa de 98- 99 %, para amostras impressas com diâmetros de ponta 410 e 330 µm. Para amostras sem pós-processamento, verificou-se um ligeiro aumento da densidade relativa com a diminuição do tamanho de ponta de 410 para 330 µm. Para impressão em pontas de diâmetros inferiores, a pasta é sujeita a velocidades de corte mais elevadas, e o tempo de impressão aumenta para a mesma velocidade de impressão, aumentando as limitações associadas à segregação de fases, bem como, secagem e adesão dos filamentos entre camadas. O aumento da concentração de carboximetilcelulose (CMC) na pasta contribuiu para a diminuição da segregação de fases e melhorou a sua injetabilidade. Todas as pastas apresentaram valores de módulo elástico, G´, na ordem de 10⁵ e 10⁷ Pa, valores mencionados na literatura como sendo adequados para impressão por robocasting. Todas as amostras sinterizadas apresentaram valores de microdureza semelhantes (entre 1400 e 1500 HV2), para os diferentes parâmetros de impressão estudados. Os melhores valores de resistência à flexão, na ordem de 500-600 MPa, foram obtidos para as amostras com uma pasta contendo 37 vol.% de sólidos, 0,3 wt.% de CMC e 0,05 wt.% de polietilenimina (PEI), usando a ponta de impressão de diâmetro 330 µm, infill 0° e pós-processamento.
Silicon nitride (Si₃N₄) is a ceramic material widely used in the automotive, aerospace and biomedical fields due to its unique combination of properties, including mechanical strength, high hardness and wear resistance. The forming of Si₃N₄ parts is commonly carried out by conventional methods such as pressing and colloidal processing. These methods have some limitations for obtaining parts with complex geometries and are normally associated with high production costs. In this context, additive manufacturing (AM) has been explored as a promising alternative. The objective of this work is to evaluate the influence of printing parameters on the density and mechanical performance of Si₃N₄ samples obtained by an extrusion additive manufacturing technique, the robocasting. The printing parameters studied were: the nozzle diameter (410, 330, 250, 150 µm), the infill (0° e 90°), the printing speed (5, 10, 15, 20, 25 mm/s) and the post-processing (cold isostatic pressing - CIP) in the manufacture of samples with cylindrical geometry. An additional study was also carried out to optimize the rheological properties of the paste for printing in 330 µm nozzle diameters. In the final part of the work, a preliminary study was carried out in an attempt to evaluate the minimum drilling diameter, capable to be accurately obtained by robocasting, i.e, without obstruction. The results showed that for the same paste composition and regardless of the printing nozzle size (410 or 330 µm), the 0° infill gave rise to samples with fewer defects and consequently, higher values of relative densities, when compared to the 90° infill. The use of cold isostatic pressing after printing also resulted in better relative densities for all conditions, with maximum relative density values of 98-99 % for samples printed with nozzle diameters of 410 and 330 µm. For samples without post-processing, there was a slight increase in relative density with decreasing nozzle size from 410 to 330 µm. For printing with smaller diameter’ tips, the paste is subjected to higher shear rate values, and the printing time increases for the same printing speed. Consequently, higher limitations associated with phase segregation, as well as fast drying and poor filaments’ adhesion between layers were observed. Increasing the concentration of carboxymethylcellulose (CMC) in the paste helps to decrease phase segregation and improved the paste injectability. All pastes presented elastic modulus, G´, in the order of 10⁵ and 10⁷ Pa, values mentioned in the literature as being suitable for robocasting printing. All sintered samples presented similar microhardness values (between 1400 and 1500 HV2) for the different printing parameters studied. The best flexural strength values, in the order of 500-600 MPa, were obtained with samples that used a paste containing 37 vol.% solids, 0,3 wt.% CMC and 0,05 wt.% polyethylenimine (PEI), with a printing nozzle diameter 330 µm, 0° infill and post-processing.
URI: http://hdl.handle.net/10773/40001
Appears in Collections:UA - Dissertações de mestrado
DEMaC - Dissertações de mestrado

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