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Analisi termica della ceramica stampata in 3D
La ceramica è utilizzata in molti settori dell’industria. Di norma, la ceramica viene prima modellata come corpo verde a partire dalla materia prima, per poi essere trattata e cotta in un modo speciale (noto come sinterizzazione) per indurirla e darle la forma finale.
A seconda del settore, può trattarsi di semplici stoviglie, decorazioni o sanitari, ma anche di ceramiche tecniche come protesi o vari componenti tecnici. Un pezzo di ceramica viene solitamente cotto in un forno dopo una prima lavorazione meccanica. Viene esposto a temperature comprese tra 900 °C e 1400 °C.
Ciò avviene riscaldando in un intervallo di tempo definito a una temperatura in costante aumento, ma anche a intervalli isotermici precisamente definiti per controllare le reazioni chimiche durante la cottura della ceramica e per controllare il degassamento del vapore acqueo, dell’anidride carbonica e di altri additivi. Dopo la prima cottura, spesso viene applicato uno smalto sulla ceramica e poi il pezzo viene cotto nuovamente per indurirlo completamente.
L’intero processo dura diverse ore e comporta quindi un notevole dispendio di tempo. Inoltre, non è possibile garantire che il pezzo esca integro dal forno dopo la cottura; possono verificarsi vari errori (mancanza di materiale, processo di cottura errato, ecc.) che possono portare a rotture o crepe nella ceramica.
Una soluzione più moderna e semplice per cuocere un’ampia varietà di componenti in ceramica è la produzione additiva. Nel caso della ceramica, si parla spesso di stampa 3D. Si tratta di un processo di produzione in cui il materiale viene applicato strato per strato per creare oggetti tridimensionali.
Il processo di costruzione è di solito assistito dal computer (CAD) e uno o più materiali liquidi o solidi vengono utilizzati come materiale di partenza in base alle dimensioni e alle forme specificate. Durante l’assemblaggio mediante il processo di stampa, avvengono processi di
Il vantaggio di questo metodo rispetto ai processi di cottura convenzionali è evidente: l’applicazione strato per strato della ceramica consente di produrre strutture complesse e intricate, dove il rischio di rottura durante il processo di cottura sarebbe particolarmente elevato. Inoltre, consente un enorme risparmio di tempo: un pezzo sinterizzato o stampato in 3D può essere prodotto molto più velocemente grazie al fatto che non è necessario il processo di cottura in forno.
Rispetto a tutti i processi di rimozione del materiale come il taglio, la tornitura e la foratura, la stampa 3D ha il vantaggio di eliminare la fase di lavorazione aggiuntiva dopo lo stampo master. Nella maggior parte dei casi, il processo è anche più efficiente dal punto di vista energetico, soprattutto se il materiale deve essere costruito una sola volta nelle dimensioni e nella massa richieste. È inoltre vantaggioso che diversi materiali possano essere lavorati in un’unica macchina.
In origine, il processo di stampa 3D è stato utilizzato per la prima volta nell’industria dei polimeri. industria dei polimeri poiché le materie plastiche sono facili da fondere e da maneggiare e non richiedono sinterizzazione o polimerizzazione. Riscaldando appena al di sopra del punto di rammollimento e raffreddando rapidamente il filamento stampato, si potevano creare strutture in tempo reale. Tuttavia, il processo si è evoluto rapidamente e oggi è possibile stampare non solo polimeri, ma anche metalli e ceramiche, rendendo la stampa 3D un’opzione versatile per la produzione.
I processi di produzione additiva possono essere suddivisi in sette categorie principali e sono ora descritti in dettaglio in diversi standard (DIN EN ISO/ASTM 52900, ex ASTM F2792):
- Uscita del raccoglitore
- Produzione di materiale
- Fusione del letto di polvere
- Estrusione di materiale
- Fotopolimerizzazione a tino
- Deposito mirato di energia
- Laminazione di fogli
La differenza principale è il modo in cui gli strati vengono applicati per produrre le parti e i materiali utilizzati. I fattori più importanti nella scelta della macchina e del processo di stampa 3D sono la velocità (a seconda delle dimensioni dell’oggetto) e il costo (del materiale e della macchina). Materiali in generale: metallo, ceramica, plastica.
Il principale campo di applicazione della tecnologia di fabbricazione additiva resta la ricerca e, soprattutto, lo sviluppo di prodotti e la costruzione di prototipi nell’industria. È ideale per la produzione di modelli, prototipi, strumenti o prodotti specifici, poiché non sono necessari strumenti speciali e la conversione da disegno a modello può essere realizzata molto rapidamente.
Altre aree di applicazione sono in particolare la tecnologia medica, dove protesi e impianti appositamente personalizzati (soprattutto in odontoiatria) devono spesso essere realizzati su misura. Tuttavia, anche campi di applicazione più insoliti come la scultura e l’arte utilizzano la fabbricazione additiva per la produzione di sculture. Le stampanti 3D possono essere utilizzate anche per scopi privati, poiché i processi e le stampanti sono ormai pronti per la produzione in serie e sono disponibili al pubblico a costi relativamente bassi. In casa, prodotti in plastica come giocattoli, pezzi di ricambio o piccoli supporti possono essere realizzati facilmente e senza grandi conoscenze preliminari.
Per la ceramica vengono utilizzati i seguenti metodi di stampa 3D:
- Processi di fusione a letto di polvere, come la sinterizzazione laser selettiva (SLS).
- Questo processo può essere generalmente utilizzato per stampare polimeri, polveri ceramiche o metalli. La polvere di materiale viene fusa con un laser ad alta energia per produrre materiali completamente densi strato per strato. Un sottile strato di polvere viene depositato su un vassoio utilizzando un ugello. Un laser inizia quindi a sinterizzare la polvere localmente, creando il primo strato. Una variante di questa tecnica è la stampa 3D a getto d’inchiostro. In questo caso, un legante viene stampato su uno strato di polvere (gesso o resina) nella sezione trasversale del pezzo, utilizzando un processo simile alla stampa a getto d’inchiostro. Un vantaggio delle tecniche di fusione a letto di polvere è che la polvere in eccesso funge da supporto per l’oggetto stampato.
- Nella modellazione a deposizione fusa (FDM) o nella fabbricazione a filamento fuso (FFF), vengono lavorate piccole particelle della ceramica desiderata.
- Affinché questo funzioni, nel filamento viene utilizzato un legante specifico, di solito una plastica speciale che tiene insieme la polvere di ceramica.
- Il filamento viene poi riscaldato a tal punto da liquefarsi e poter essere stampato, proprio come un filamento di plastica convenzionale. I grani di ceramica hanno un diametro di circa 1-2 µm.
- Di conseguenza, quando si stampa con la plastica, escono direttamente dall’ugello e gli strati desiderati possono essere stampati direttamente.
- Solo la plastica che trattiene e trasporta la polvere si scioglie durante questo processo e funge da agente legante.
- Alla fine viene creato uno stampo stampato, che però consiste essenzialmente nella polvere di ceramica e non in un corpo solido di ceramica.
- Non si tratta ancora del prodotto finale, ma di un prodotto verde che deve ancora essere rielaborato.
- Infine, parte della plastica viene rimossa con un processo speciale. Segue il processo di sinterizzazione, in cui il pezzo viene esposto a temperature elevate e a sostanze chimiche in un forno speciale.
- Le parti in ceramica si uniscono e la plastica viene completamente rimossa. Ciò significa che l’FDM è in definitiva molto simile al processo di cottura della ceramica originale, in quanto si risparmia una sola fase di cottura, ma la seconda deve ancora essere eseguita.
Le condizioni giuste per il materiale da utilizzare in una stampante 3D dipendono dal comportamento termico, come la temperatura di fusione e il modo in cui il materiale si espande sotto la temperatura o la conducibilità termica. È quindi opportuno testare in modo approfondito le proprietà termiche dei materiali utilizzati per la stampa 3D. I seguenti dispositivi sono importanti per questi test:
- Con la classica dilatometria (DIL) può essere utilizzata per studiare in modo approfondito l’espansione lineare termica e il comportamento di sinterizzazione di solidi e polveri. Ciò significa che la dilatometria è ormai una procedura standard nella produzione di ceramica.
- Inoltre, diversi metodi di analisi della conducibilità termica sono utili per simulare e controllare la distribuzione e la conduzione della temperatura nel pezzo. I metodi più comuni sono le tecniche flash come il metodo laser flash (LFA) in cui è possibile misurare la temperatura e la conducibilità termica di solidi o polveri utilizzando un lampo di luce ad alta energia. Esistono anche metodi a filo caldo come il ponte caldo transitorio (THB) che possono fornire valori affidabili di trasferimento di calore in tempi relativamente brevi a temperatura ambiente. Per le paste e le polveri, il Tester per materiali trans-interfaccia (TIM) una modifica della Piastra calda sorvegliata che può misurare diverse densità di massa e le conseguenti variazioni delle proprietà di trasporto termico.
Una volta prodotto un componente, è importante determinare i requisiti del componente in termini di proprietà termiche e meccaniche e svilupparli con un design specifico per il processo. Di solito questo vale indipendentemente dal processo di fabbricazione utilizzato per produrre il componente. Nel caso di componenti prodotti in modo additivo, tuttavia, è particolarmente necessario verificare le proprietà meccaniche, poiché queste possono differire da quelle di un oggetto stampato o cotto a causa della struttura degli strati. Soprattutto nel caso della ceramica, il pezzo si restringe notevolmente dopo la sinterizzazione o l’applicazione di additivi e possono esserci diverse fonti di difetti che portano al cedimento del materiale. Anche in questo caso si utilizza generalmente un dilatometro e in alcuni casi anche l’analisi termo-meccanica (TMA), che è in grado di registrare con precisione le proprietà meccaniche del materiale attraverso test di flessione, trazione e compressione.
