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Análise térmica de cerâmicas impressas em 3D
A cerâmica são utilizadas em muitas áreas da indústria. Regra geral, as cerâmicas são primeiro moldadas como um corpo verde a partir de matéria-prima, antes de este “corpo verde” ser tratado e cozido de uma forma especial (conhecida como sinterização) para o endurecer e lhe dar a sua forma final.
Dependendo da indústria, pode tratar-se de louça simples, decoração ou louça sanitária, mas também de cerâmica técnica, como próteses ou vários componentes técnicos. Uma peça de cerâmica é normalmente cozida num forno após o processamento mecânico inicial. É exposta a temperaturas entre 900 °C e 1400 °C.
Isto é feito através do aquecimento, num intervalo de tempo definido, a uma temperatura em constante aumento, mas também em intervalos isotérmicos precisamente definidos, de modo a controlar as reacções químicas durante a cozedura da cerâmica e a controlar a desgaseificação do vapor de água, do dióxido de carbono e de outras misturas. Após a primeira cozedura, é frequentemente aplicado um esmalte na cerâmica e, em seguida, a peça é novamente cozida para a endurecer completamente.
Todo o processo demora várias horas e, por conseguinte, envolve um tempo considerável. Além disso, não se pode garantir que a peça saia do forno intacta após a cozedura; podem ocorrer vários erros (falta de material, processo de cozedura incorreto, etc.), que podem levar a quebras ou fissuras na cerâmica.
Uma solução mais moderna e mais simples para a cozedura de uma grande variedade de componentes cerâmicos é o fabrico aditivo. No caso da cerâmica, isto é muitas vezes referido como impressão 3D. Trata-se de um processo de fabrico em que o material é aplicado camada a camada para criar objectos tridimensionais.
A construção é normalmente efectuada através de um desenho assistido por computador (CAD) e são utilizados um ou mais materiais líquidos ou sólidos como material de base, de acordo com dimensões e formas especificadas. Durante a construção, através do processo de impressão, ocorrem processos químicos
A vantagem deste método em relação aos processos de cozedura convencionais é óbvia: a aplicação camada a camada da cerâmica permite a produção de estruturas intrincadas e complexas, onde o risco de quebra durante o processo de cozedura seria particularmente elevado. Além disso, poupa imenso tempo, uma vez que uma peça sinterizada aditivamente ou impressa em 3D pode ser produzida muito mais rapidamente devido ao facto de não ser necessário o processo de cozedura no forno.
Em comparação com todos os processos de remoção de material, como corte, torneamento e perfuração, a impressão 3D tem a vantagem de eliminar a etapa de processamento adicional após o molde mestre. Na maioria dos casos, o processo também é mais eficiente em termos energéticos, especialmente se o material só precisar de ser construído uma vez no tamanho e massa necessários. Também é vantajoso que diferentes materiais possam ser processados numa única máquina.
Originalmente, o processo de impressão 3D foi utilizado pela primeira vez na indústria dos polímeros uma vez que os plásticos são fáceis de derreter e manusear e não requerem sinterização ou cura. Ao aquecer um pouco acima do ponto de amolecimento e arrefecer rapidamente o filamento impresso, as estruturas podiam ser criadas em tempo real. No entanto, o processo evoluiu rapidamente, de modo que não só vários polímeros, mas também metais e cerâmicas podem agora ser impressos, tornando a impressão 3D uma opção versátil para o fabrico.
Os processos de fabrico de aditivos podem ser divididos em sete categorias principais e são agora também descritos em pormenor em várias normas (DIN EN ISO/ASTM 52900, anteriormente ASTM F2792):
- Saída da pasta
- Saída de material
- Fusão de leito de pó
- Extrusão de materiais
- Fotopolimerização em cuba
- Deposição de energia direcionada
- Laminação de folhas
A principal diferença entre eles é a forma como as camadas são aplicadas para produzir as peças e os materiais que são utilizados. Os factores mais importantes na escolha da máquina e do processo de impressão 3D são a velocidade (dependendo do tamanho do objeto) e o custo (do material e da máquina). Materiais em geral: metal, cerâmica, plástico.
A principal área de aplicação da tecnologia de fabrico aditivo continua a ser a investigação e, sobretudo, o desenvolvimento de produtos e a construção de protótipos na indústria. É ideal para a produção de modelos, protótipos, ferramentas ou produtos específicos, uma vez que não são necessárias ferramentas especiais e a conversão do desenho para o modelo pode ser efectuada muito rapidamente.
Outras áreas de aplicação incluem a tecnologia médica, em particular, onde próteses e implantes especialmente personalizados (especialmente em medicina dentária) têm frequentemente de ser feitos à medida. No entanto, áreas de aplicação mais invulgares, como a escultura e a arte, também utilizam o fabrico aditivo para a produção de esculturas. Atualmente, as impressoras 3D também podem ser utilizadas para fins privados, uma vez que os processos e as impressoras estão prontos para a produção em série e estão disponíveis ao público a um custo relativamente baixo. No sector doméstico, os produtos de plástico, como brinquedos, peças sobressalentes ou pequenos suportes, podem ser produzidos facilmente e sem grandes conhecimentos prévios.
Os seguintes métodos de impressão 3D são utilizados para cerâmica:
- Processos de fusão em leito de pó, como a sinterização selectiva por laser (SLS).
- Este processo pode geralmente ser utilizado para imprimir polímeros, pós cerâmicos ou metais. O material em pó é fundido com um laser de alta energia para produzir materiais completamente densos, camada a camada. Uma fina camada de pó é depositada num tabuleiro utilizando um bocal. Em seguida, um laser começa a sinterizar o pó localmente, criando a primeira camada. Uma variação deste processo é a impressão 3D a jato de tinta. Aqui, um aglutinante é impresso numa camada de pó (gesso ou resina) na secção transversal da peça, utilizando um processo semelhante à impressão a jato de tinta. Uma vantagem das técnicas de fusão em leito de pó é que o excesso de pó serve de suporte para o objeto impresso.
- Na modelação por deposição fundida (FDM) ou no fabrico por filamento fundido (FFF), são processadas pequenas partículas da cerâmica desejada.
- Para que isto funcione, é utilizado um aglutinante específico no filamento, normalmente um plástico especial que mantém o pó cerâmico unido.
- O filamento é depois aquecido de tal forma que se liquefaz e pode ser impresso, tal como um filamento de plástico convencional. Os grãos de cerâmica têm aqui um diâmetro de cerca de 1-2 µm.
- Como resultado, saem diretamente do bocal ao imprimir com o plástico e as camadas desejadas podem ser impressas diretamente.
- Apenas o plástico que segura e transporta o pó em conjunto derrete durante este processo, servindo assim como agente aglutinante.
- No final, é criado um molde impresso, mas que continua a ser essencialmente constituído pelo pó cerâmico e não por um corpo cerâmico sólido.
- Este não é ainda o produto final, mas um produto verde que ainda precisa de ser reformulado.
- Finalmente, parte do plástico é removido através de um processo especial. Segue-se o processo de sinterização, no qual a peça é exposta a altas temperaturas e substâncias químicas num forno especial.
- As peças cerâmicas unem-se e o plástico é completamente removido. Isto significa que o FDM é, em última análise, muito semelhante ao processo original de cozedura de cerâmica, uma vez que apenas se poupa um passo de cozedura, mas o segundo continua a ter de ser efectuado.
As condições corretas para o material a utilizar numa impressora 3D dependem do comportamento térmico, como a temperatura de fusão e a forma como o material se expande sob a ação da temperatura ou a condutividade térmica presente. Por isso, faz sentido testar exaustivamente as propriedades térmicas dos materiais utilizados na impressão 3D. Os seguintes dispositivos são relevantes para estes testes:
- Com a clássica dilatometria (DIL) pode ser utilizado para investigar extensivamente a expansão linear térmica e o comportamento de sinterização de sólidos e pós. Isto significa que a dilatometria é atualmente um procedimento padrão na produção de cerâmica.
- Além disso, vários métodos de análise da condutividade térmica são úteis para simular e controlar a distribuição e a condução da temperatura na peça de trabalho. Os métodos mais comuns neste domínio são as técnicas de flash, como o
método de flash laser (LFA) ponte quente transiente (THB)
Depois de um componente ter sido fabricado, é importante determinar os requisitos para o componente em termos de propriedades térmicas e mecânicas e desenvolvê-los com um design especificamente adaptado ao processo. Isto aplica-se normalmente independentemente do processo de fabrico utilizado para produzir o componente. No caso de componentes fabricados aditivamente, no entanto, é particularmente necessário verificar as propriedades mecânicas, uma vez que estas podem diferir das de um objeto moldado ou cozido devido à estrutura da camada. Particularmente no caso da cerâmica, a peça de trabalho encolhe massivamente após a sinterização ou aplicação de aditivos e pode haver várias fontes de defeitos que levam à falha do material. Também aqui é geralmente utilizado um dilatómetro e, em alguns casos, até mesmo a análise termomecânica (TMA), que é capaz de registar com precisão as propriedades mecânicas do material através de ensaios de flexão, tração e compressão.
