Cerâmica impressa em 3D

Jan 14, 2024

Como as tecnologias de manufatura aditiva são cada vez mais adotadas para uma variedade de aplicações em muitos setores, muito do foco é direcionado à impressão 3D de materiais metálicos ou poliméricos. A impressão 3D em cerâmica, no entanto, está amadurecendo e atingindo um ponto de inflexão à medida que os engenheiros se voltam cada vez mais para as propriedades de desempenho superior dos materiais cerâmicos técnicos.

Os processos tradicionais de moldagem de cerâmica requerem ferramentas caras com longos prazos de entrega. O processo também é ineficiente, pois a desmoldagem se torna cada vez mais complicada pelas formas complexas dos componentes modernos. A liberdade de design da manufatura aditiva cria novas formas otimizadas nesses materiais tradicionalmente difíceis de processar que são otimizados para peso ou moldados para fins de desempenho especial, como desviar ou absorver energia.

Como a impressão 3D capacita os designers a aumentar a complexidade na geometria da peça, novas possibilidades de materiais estão levando a verdadeiros avanços nas aplicações.

Usada na construção há séculos, a cerâmica evoluiu para materiais de fabricação de ponta. A areia siliciosa, por exemplo, é uma cerâmica utilizada na fundição de metais. As fundições constroem regularmente ferramentas a partir do material e adotaram a impressão 3D em areia nas últimas décadas para produzir em massa projetos cada vez mais complexos com retornos mais rápidos, tudo sem sair de seu fluxo de trabalho de fundição para produzir peças de metal de uso final.

Hoje, uma variedade de materiais cerâmicos técnicos com óxidos, carbonetos ou nitretos ligados a eles são usados ​​para aplicações com demandas ambientais e de desempenho maiores do que podem ser atendidas por outros materiais. Cerâmicas técnicas como carboneto de silício (SiC), alumina e zircônia são cobiçadas para uso nas aplicações mais extremas e nos ambientes mais hostis para propriedades como biocompatibilidade, alta dureza, estabilidade em temperaturas ultra-altas ou resistência a reações químicas.

Binder jetting tem vantagens inerentes na modelagem dessas cerâmicas em geometrias complexas e de alta resolução impossíveis de construir com tecnologias tradicionais. A velocidade de impressão, o tamanho da impressão e a flexibilidade do material permitem que a maior variedade de materiais seja processada nas velocidades mais rápidas. É uma tecnologia altamente pesquisada e amplamente identificada como o melhor processo de fabricação de SiC, mesmo entre outras tecnologias aditivas, porque o pó escuro não cura por UV e o alto ponto de fusão elimina os processos baseados em laser. A produção de peças com formato quase líquido também reduz as etapas de pós-processamento difíceis e caras de usinagem e polimento. As peças verdes porosas podem ser sinterizadas, impregnadas ou infiltradas para obter propriedades de material versáteis específicas para a aplicação.

O novo paradigma de design de fabricação aditiva, combinado com os materiais cerâmicos técnicos mais avançados, coloca o jateamento de ligantes na vanguarda do desenvolvimento de aplicações.

Os colimadores são componentes usados ​​em imagens de nêutrons que permitem aos pesquisadores mapear as propriedades de um material absorvendo nêutrons dispersos. Eles aumentam a resolução e reduzem os sinais de fundo em experimentos para capturar dados até um nível atômico.

O carboneto de boro (B4C) é uma cerâmica técnica com propriedades fortes, mas leves, bem como características de absorção de energia que são particularmente úteis em instrumentos de dispersão de nêutrons. As limitações de fabricação do passado produziram colimadores de lâminas revestidas com material altamente absorvente, como carboneto de boro enriquecido (10B4C), em arranjos que inerentemente colimavam em apenas uma dimensão. As formas restritas desses desenhos tradicionais limitavam o tipo de pesquisa que poderia ser feita com eles.

Pesquisadores da JJ X-Ray, um fabricante dinamarquês de soluções para experimentos de raios-x, radiação síncrotron e espalhamento de nêutrons, usaram a liberdade de design da impressão 3D para desenvolver componentes mais complexos para colimação 2D. Os sistemas de jateamento de ligantes da Série X de metal de mesa imprimiram cubos em 3D a partir do pó 10B4C. Os protótipos do colimador de 20 mm3 apresentam canais de paredes retas de 5 × 5 mm que não poderiam ser produzidos com nenhuma outra tecnologia.