Desarrollo de estructuras cerámicas porosas por impresión 3D

Abstract

El presente trabajo de tesis se centra en el estudio del procesamiento de estructuras cerámicas porosas mediante manufactura aditiva (AM, ‘additive manufacturing’), comúnmente conocida como impresión 3D, empleando dos técnicas diferentes: modelado por deposición fundida (FDM, ‘fused deposition modeling’), técnica basada en el proceso de extrusión de material, y sinterización selectiva por láser indirecta (i-SLS, ‘indirect selective laser sintering’), técnica basada en el proceso de fusión en lecho de polvo. La AM es una tecnología avanzada de fabricación que podría emplearse para producir estructuras cerámicas con geometrías complejas y arquitecturas controladas mediante su construcción capa por capa, lo que las haría potencialmente útiles en diversas aplicaciones. Debido a las características inherentes de los materiales cerámicos (alta dureza, fragilidad, alto punto de fusión y bajo coeficiente de expansión), la mayoría de las técnicas de AM recurren al uso de ligantes orgánicos para unir las partículas cerámicas durante la operación primaria de AM, obteniéndose así la pieza en verde. Seguidamente, esta pieza en verde se debe calentar cuidadosamente para eliminar estos ligantes y, por último, se sinteriza para obtener el producto cerámico final. En este contexto, aún existen cuestiones relevantes relacionadas a los materiales de alimentación y al proceso específico de manufactura aditiva que deben resolverse para lograr el desarrollo de piezas cerámicas con propiedades adecuadas para una determinada aplicación. La originalidad de este trabajo recae en el enfoque integral con el que se aborda el desarrollo y la evaluación de estructuras cerámicas porosas obtenidas mediante la manufactura aditiva por dos técnicas diferentes, FDM e i-SLS, a partir, por un lado, del diseño y preparación de nuevos materiales de alimentación basados en alúmina-poliamida (para la técnica de FDM) y alúmina-micrografito-poliamida (para la técnica de i-SLS), empleando un método relativamente sencillo, pero poco estudiado en el campo del procesamiento de materiales cerámicos, llamado separación de fases inducida térmicamente (TIPS, ‘thermally induced phase separation’), y por otro, de la determinación de las condiciones de impresión óptimas para cada técnica y su procesamiento posterior (tratamientos térmicos y etapas de post-impresión). El empleo de un material ligante común a ambas técnicas estudiadas, ya sea poliamida 12 o poliamida 612, que se propone en este trabajo de tesis, es otro aspecto destacable que contribuye al avance de la manufactura aditiva en el campo de los materiales cerámicos. Cabe mencionar que, además, en esta tesis se emplea un equipo de FDM con un sistema de extrusión directa de diseño propio capaz de procesar polvo o pellets en lugar de filamentos y un equipo de SLS provisto con un láser de diodo de baja potencia. Así, estas nuevas combinaciones constituyen un valioso aporte en el área del procesamiento de cuerpos cerámicos porosos tridimensionales mediante manufactura aditiva. En el estudio abordado, se realiza una caracterización exhaustiva de los materiales de alimentación obtenidos por TIPS para cada técnica de AM estudiada, estableciendo condiciones experimentales óptimas para la construcción del objeto, así como para las etapas de calcinación y sinterización, y se analizan las propiedades físicas, mecánicas y microestructurales de las estructuras cerámicas obtenidas, además de estudiar la influencia de los procesos de impregnación/infiltración en dichas propiedades, con el objetivo de comprender las relaciones procesamiento-microestructura- propiedades. El trabajo de tesis se dividió en cuatro capítulos, los cuales comprenden:  La revisión bibliográfica sobre el estado del arte de la AM de materiales cerámicos mediante FDM e i-SLS.  La caracterización de las materias primas empleadas (alúmina, poliamidas 12 y 612, y micrografito).  El estudio del procesamiento mediante TIPS de los sistemas de alimentación cerámico-polímero para la obtención de gránulos compuestos basados en alúmina-poliamida y la selección de los sistemas alúmina-poliamida y alúmina-micrografito-poliamida más promisorios para los procesos de AM por FDM e i-SLS, respectivamente.  El estudio del proceso de AM por FDM utilizando un sistema de deposición por extrusión directa, de diseño propio capaz de procesar pellets o polvos en lugar de filamentos, empleando como material de alimentación los gránulos compuestos basados en alúmina y poliamida obtenidos vía TIPS.  La caracterización fisicoquímica y microestructural de las piezas en verde y sinterizadas obtenidas por FDM, así como el estudio de la respuesta mecánica de las piezas finales obtenidas y la evaluación de la influencia de la impregnación de las piezas calcinadas y pre-sinterizadas con suspensiones de Al2O3 en medio alcohólico sobre las propiedades físicas y mecánicas finales. Mail del autor Xavier Hung <xavihung@gmail.com>