A fabricação de aditivos ou impressão 3D é uma alternativa aos processos tradicionais de moldagem/formação atualmente utilizados na indústria de fabricação de cerâmica. Entre todas as diferentes tecnologias comprovadas disponíveis, vamos nos concentrar hoje na fotopolimerização em cuba e formulações cerâmicas relacionadas.
Inicialmente, o pó cerâmico é homogeneamente disperso em um sistema ligante orgânico fotocurável. Uma forma de corpo verde é construída camada por camada através da exposição seletiva desta suspensão à luz ultravioleta. A produção de estruturas de materiais densos requer suspensões com uma distribuição uniforme das partículas cerâmicas e uma alta carga sólida. Isso pode ser alcançado usando o dispersante correto na formulação. Os dispersantes não só ajudam a alcançar a resistência mecânica final como também desempenham um papel fundamental no processo de impressão. São usados para molhar e dispersar pós finos na resina fotocurável e para controle reológico. Os dispersantes podem ajudar a diminuir a viscosidade e ajudar a obter uma distribuição de tamanho de partícula estreita, reduzindo a aglomeração.
A Lubrizol desenvolveu a tecnologia de dispersantes sob a marca de hiperdispersantes Solsperse™ AC que são adaptados aos novos processos de fabricação em cerâmica avançada, incluindo a fabricação aditiva.
O que se segue é uma transcrição editada de uma conversa com o Dr. Baschar Ozkan, cientista do The Additive Manufacturing Centre of Excellence (AM-COE) no Reino Unido. O AM-COE usou dispersantes Solsperse™ AC para desenvolver novas formulações de cerâmica para impressão estereolitográfica.
P. Você poderia nos contar um pouco mais sobre o AM-COE e os projetos em que você está trabalhando?
A AM-COE visa elevar o uso da fotopolimerização de cuba em impressão 3D em indústrias de alto valor de fabricação, onde geometrias complexas, material avançado, sustentabilidade e durabilidade, design e desempenho, e conceito-para-ciclo de produção são acionadores e capacitadores da indústria. Aproveitando tanto as instalações de pesquisa de ponta quanto os recursos de fabricação, a AM-COE oferece design de materiais e desenvolvimento de tinta para diferentes aplicações, uma ampla variedade de impressoras 3D DLP de ponta e acessíveis para fabricação de metal e cerâmica para produção e pesquisa em massa e serviços profissionais, incluindo impressão 3D de cerâmica, metais e polímeros, metrologia e medição de superfície, serviços de raios-X e NDT, caracterização de materiais e serviços de engenharia/design. Estamos estrategicamente localizados em Derby, perto das instalações da Rolls Royce e da Bombardier e de outros clientes e fornecedores, a três horas de distância de todas as principais cidades, centros de produção e aeroportos da Inglaterra.
Nós misturamos, imprimimos em 3D, desvinculamos, sinterizamos e impregnamos a maioria dos tipos de cerâmica e misturas compósitas, mas nosso foco principal é sílica, zircônio, mulita, alumina, quartzo e outras cerâmicas de alta temperatura. Trabalhamos principalmente na impressão 3D de núcleos cerâmicos intrínsecos e complexos para fundição de superligas equiaxial, DS e SX, tudo com especificações e qualidade comerciais. Além disso, os padrões de fundição sacrificial e os núcleos cerâmicos para o processo de fundição de investimento são nossas outras especialidades principais. Nós imprimimos estampas em 3D de fundição com cera e alta precisão compatíveis com aplicações aeroespaciais e IGT com a mais alta estabilidade dimensional.
Sou um cientista de impressão 3D com experiência em cerâmica técnica e de alta temperatura. Estou trabalhando principalmente no desenvolvimento de materiais de suspensões cerâmicas fotocuráveis, altamente carregadas para várias aplicações e setores, como aeroespacial, médico, energia, automotivo, óleo e gás. Minhas outras responsabilidades na AM-COE são projetar todo o processo de fabricação de componentes cerâmicos, desde a pré-impressão até a otimização pós-impressão e desde projetos de desenvolvimento até configurações de fabricação em massa. Também estou entusiasmado para começar a trabalhar em baterias impressas em 3D muito em breve.
P. O que você procura ao selecionar um dispersante para formulações cerâmicas de fabricação aditiva?
Geralmente, nosso objetivo é atingir pelo menos 50 % de volume em nossas suspensões cerâmicas, para evitar rachaduras e delaminação durante o pós-processamento, mas são desejadas cargas ainda maiores em nossos processos e consolidação de peças cerâmicas. No entanto, para aplicações de impressão cerâmica baseada em litografia, alcançar o equilíbrio certo entre viscosidade e carga sólida na mistura é muitas vezes muito desafiador. Por um lado, uma fração de volume maior de partículas sólidas é essencial para menos encolhimento e maior densidade (ou seja, resistência mecânica após a sinterização). Por outro lado, um maior teor de sólidos afeta significativamente a viscosidade da mistura e do próprio processo de impressão. Isso leva à segregação do conteúdo sólido, aumentando o tempo de impressão e promovendo a montagem convexa na superfície do corpo de impressão e altas forças de descascamento, levando a rachaduras nas peças. As suspensões cerâmicas em nossas aplicações devem ser altamente móveis, uniformes, estáveis e homogêneas para facilitar o autonivelamento e o recobrimento da camada de impressão (isto é, a viscosidade da resina deve ser tão baixa quanto possível, de preferência menor que 5000 mPa-s sem ponto de rendimento pronunciado que interfira na obtenção de camadas finas uniformes).
Os dispersantes são compostos essenciais que melhoram a processabilidade de nossas suspensões cerâmicas altamente carregadas em nossos processos de impressão. Os materiais cerâmicos utilizados para a maioria de nossas aplicações são pós de óxido e normalmente têm grupos hidróxi em sua superfície, o que explica sua natureza hidrófila. Portanto, geralmente procuramos a compatibilidade de dispersantes com nossos sistemas fotopolimerizáveis (met)acrilatos ou ligantes à base de epóxi e misturas de pó cerâmico. A identificação do tipo correto de dispersante e do nível de dosagem tem um impacto vital sobre o comportamento reológico de nossas suspensões cerâmicas fotocuráveis. O aumento do tamanho da cadeia de dispersante acima de seu limite de adsorção causa ou um aumento na viscosidade ou uma redução na estabilidade das misturas, devido a colapsos na camada de resina. Portanto, um tamanho adequado da cadeia de dispersante deve ser considerado com base no tamanho da partícula e da fração sólida durante o projeto de formulação da suspensão.
P. Você testou recentemente o Solsperse™ Hyperdispersants da Lubrizol. Quais foram os resultados obtidos?
Geralmente, os hiperdispersantes Solsperse™ com nossos monômeros fotocuráveis (met)acrilatos são ótimos para alcançar um desempenho de dispersão mais alto com uma ampla gama de partículas cerâmicas. Graças aos produtos Lubrizol, podemos aumentar a concentração de várias cerâmicas, para produzir suspensões cerâmicas altamente estáveis e de baixa viscosidade até 60-65 % de volume. Além da capacidade de dispersão e comportamento reológico, as suspensões formuladas devem ter alta estabilidade (boa homogeneidade) que pode ser usada e armazenada por um longo período. Em comparação com os dispersantes tradicionais típicos, os dispersantes poliméricos Lubrizol nos proporcionam alta estabilidade e confiabilidade para operações de impressão 3D de longa duração. Posso confirmar que demonstraram alta pureza e baixo teor de cinzas em nossos processos de queima e sinterização.
A Figura 1 abaixo demonstra o desempenho de dispersão de alguns hiperdispersantes Solsperse™ para suspensões cerâmicas altamente carregadas de sílica com 60 % de volume. Como apresentado na Figura 1, os produtos Solsperse™ AC 1 e Solsperse™ AC 2 são adequados para a dispersão de pequenos tamanhos de partículas para alcançar alta densidade e pureza nos produtos finais. Em contrapartida, a Solsperse™ AC 3 e Solsperse™ AC 4 são ideais para controlar a estabilidade de cerâmicas do tamanho de partículas grandes em que é exigida alta porosidade, tais como em aplicações de núcleos cerâmicos. Cada formulação de dispersão Lubrizol tem um impacto único em nossas formulações, fornecendo assim as propriedades de material e peça necessárias, dependendo do tipo de cerâmica e ligante usado em nossas aplicações de impressão. As figuras 3 e 4 mostram um exemplo de como os produtos Lubrizol impactam a viscosidade de nossas suspensões de alumina e zircônia carregadas em 60 % de volume, respectivamente. Podemos até conseguir cargas sólidas mais altas, como 65-66 % de volume com o dispersante disponível na linha de produtos Lubrizol.
Nota: Os hiperdispersantes Solsperse™ AC foram renomeados para não revelar informações patenteadas.
Nota: Os hiperdispersantes Solsperse™ AC foram renomeados para não divulgar informações patenteadas.
Nota: Os hiperdispersantes Solsperse™ ™ AC foram renomeados para não revelar informações patenteadas.
Nota: Os hiperdispersantes Solsperse™ AC foram renomeados para não revelar informações patenteadas.
P. Como comparar os hiperdispersantes Solsperse™ AC com outros dispersantes disponíveis no mercado? Quais benefícios eles trazem?
Geralmente, a capacidade de dispersão de outros produtos no mercado é insuficiente para atingir uma alta carga sólida, e eles são limitados a até 50 % de volume em nossas formulações. Entretanto, mesmo com essa carga sólida, a viscosidade de nossas suspensões formuladas com esses dispersantes era consideravelmente maior do que a dos produtos Lubrizol, levando assim a altas forças de descascamento durante a impressão, resultando em rachaduras e delaminação nas peças finais. Além disso, a não linearidade de nossas suspensões dispersas com outros produtos aumenta significativamente com o aumento da carga sólida; as suspensões acima de 55 % de volume de fração sólida apresentam um comportamento de espessamento com um aumento acentuado da viscosidade quando a velocidade de cisalhamento cresce. Esse comportamento inibe a uniformidade de novas camadas de espalhamento e deve ser evitado, especialmente para aplicações de impressão em cerâmica onde o tempo de processamento e a precisão são necessários. Também experimentamos comportamento viscoelástico em outros produtos tradicionais, onde a suspensão possui tanto propriedades viscosas quanto elásticas. O encolhimento da camada de dispersão após a reposição de uma nova camada pela lâmina de revestimento não é desejado devido ao fenômeno viscoelástico que implica na deformação da peça ou dificulta a coesão da camada (degradação da superfície das camadas polimerizadas). A figura 5 demonstra um estudo comparativo do desempenho dos produtos Lubrizol e outros dispersantes no mercado que testamos para nossas aplicações, mostrando os benefícios da redução da viscosidade, melhor reologia e homogeneidade e a capacidade de carga altamente sólida.
P. Como você vê o futuro da fabricação de aditivos para cerâmicas avançadas?
A aplicação avançada de cerâmicas está aumentando no setor aeroespacial e em muitos outros setores, em que elas estão se tornando o material de escolha graças ao seu peso leve, durabilidade e sustentabilidade, além de outras propriedades de alto desempenho, tais como resistência a altas temperaturas, resistência ao choque térmico e resistência ao desgaste. Em comparação com a fabricação de polímeros ou aditivos metálicos, a impressão 3D de cerâmica era menos popular e mais empregada para fins de prototipagem e P&D. No entanto, nos últimos anos, a fabricação aditiva de cerâmica tem atraído atenção significativa nos setores aeroespacial, defesa, odontológico e médico. Essas indústrias também estão interessadas em produzir peças de pequenas séries.
Essa tecnologia está ficando mais popular hoje porque permite a criação de ferramentas e componentes que são muito menos caros e mais complexos. Técnicas convencionais como a moldagem por injeção, prensagem isostática a quente ou extrusão são utilizadas há muito tempo na indústria cerâmica. Ainda assim, as despesas associadas permanecem altas com as restrições geométricas nas peças acabadas e prazos de entrega longos. É aqui que entra a fabricação de aditivos cerâmicos, como os mercados de metais e polímeros. Embora haja muitas incógnitas sobre as aplicações de impressão 3D de cerâmica, e ainda seja uma tecnologia jovem, as previsões para daqui a 10 anos mostram que a fabricação de aditivos cerâmicos tem um futuro brilhante à sua frente. O impacto da fabricação aditiva em cerâmicas avançadas para os componentes fabricados com menos restrições de projeto e a ciência por trás dela é relativamente inexplorada, o que será um grande divisor de águas para toda a indústria de fabricação.
AM-COE, 33 Shaftesbury Street South, Derby, DE23 8YH, Reino Unido
Contato: info@AM-COE.com
Site: http://www.am-coe.com/
Clique aqui para visualizar informações adicionais relacionadas aos dispersantes Lubrizol para cerâmicas avançadas.
Entre em contato com um especialista da Lubrizol e saiba mais sobre os hiperdispersantes Solsperse AC para processamento avançado de cerâmicas.
