HRL Laboratories desenvolve novo método de fratura por impressão 3D

Jul 03, 2023

Pesquisadores do HRL Laboratories, um centro de pesquisa de propriedade da General Motors e da Boeing, desenvolveram um novo método de impressão 3D de peças usando Compósitos de Matriz Cerâmica (CMCs) resistentes à fratura.

A equipe da HRL desenvolveu uma nova resina pré-cerâmica à base de siloxano, reforçou-a com partículas inertes e, em seguida, usou um processo de aquecimento extremo chamado pirólise para convertê-la em oxicarbeto de silício (SiOC). O material vítreo resultante apresentava durabilidade aprimorada e, de acordo com a equipe de pesquisa, poderia ser usado em novas áreas sensíveis à energia, como propulsão, geração de energia e processamento químico.

"O desafio que abordamos neste projeto foi integrar esta solução de endurecimento com nosso processo de impressão 3D", disse Mark O'Masta, pesquisador principal da HRL no projeto. “Agora podemos adicionar esses reforços em frações de grande volume para endurecer significativamente nossas peças de cerâmica impressas em 3D”.

"Nós basicamente transformamos um material monolítico frágil em um compósito durável. Como um benefício extra, adicionar reforços relaxou algumas das restrições de processamento."

Expandindo as aplicações da cerâmica impressa em 3D

Os componentes cerâmicos normalmente possuem excelente resistência à corrosão e ao desgaste, e suas propriedades únicas lhes conferem aplicações potenciais em áreas de alta temperatura, mas moldá-los provou ser problemático. O uso de cerâmicas frágeis para fabricar peças complexas com geometrias estreitas também pode causar pressão nas rachaduras e vazios internos, o que às vezes leva a falhas desastrosas.

"Todas as peças de cerâmica, sejam tradicionalmente processadas ou impressas em 3D, apresentam pequenos defeitos, como pequenos vazios, que surgem durante o processamento, manuseio e serviço", explicou O'Masta. "O problema é que quando a tensão é aplicada nessa região, o defeito pode se tornar uma trinca descontrolada, o que resulta em falha catastrófica de toda a peça."

As tecnologias de impressão 3D em cerâmica podem ainda estar em sua infância relativa, mas as técnicas comumente usadas já estão começando a surgir para contornar esse problema. Uma mistura de abordagens de escrita com tinta direta (DIW) e modelagem de deposição fundida (FDM) foi tentada, mas mais comumente, a fotopolimerização (SLA) é utilizada para curar a matéria-prima infundida com polímero.

Em cada um desses processos existentes, a parte 'verde' impressa é submetida a um tratamento térmico em duas etapas que remove o polímero (desvinculação), antes da sinterização das partículas de cerâmica. Agora, pesquisas recentes produziram uma abordagem alternativa, que envolve impressão 3D usando resinas à base de siloxano, antes de transformá-las em SiOCs por meio de pirólise.

Esta técnica emergente de fabricação de cerâmica elimina as longas etapas de debinding e sinterização, potencialmente tornando-a uma alternativa mais rápida aos processos convencionais de impressão em cerâmica. No entanto, para que essa nova abordagem baseada em temperatura funcione de maneira eficaz, é necessário desenvolver um material cerâmico que atenda à baixa tenacidade intrínseca do material e evite a má fusão das partículas.

A nova abordagem da HRL Labs para impressão 3D em cerâmica

Para contornar a fragilidade inerente da cerâmica, a equipe da HRL desenvolveu um novo processo que exigia o desenvolvimento de um CMC reforçado com fibra cerâmica. Os pesquisadores formularam sua nova resina usando uma mistura de fotoiniciadores e um material de oxicarbeto de silício (SiOC), que continha partículas cerâmicas inertes dispersas.

Aproveitando uma impressora industrial Prodways ProMaker L5000, os pesquisadores fabricaram uma série de amostras de 1,25 (t) × 2,5 (h) × 15 (l) mm3 com o objetivo de avaliar e otimizar sua fórmula. Após uma série de testes de caracterização, a equipe identificou um alto nível de dispersão de partículas, mas também um comportamento curioso na resistência à tração das peças reforçadas.

Como se viu, as amostras mais grossas eram mais propensas a rachaduras do que suas contrapartes mais finas e, por meio dessa descoberta, a equipe da HRL identificou um "ponto ideal" no nível de reforço que poderiam alcançar. Adicionar muito do elemento de reforço ultrapassaria seu "limite de empacotamento" e enfraqueceria a peça, embora não incluísse o suficiente, poderia deixar a cerâmica vulnerável a fraturas.