Estudio del procesamiento de piezas cerámicas porosas basado en la impresión 3D por sinterización selectiva por láser

HUNG HUNG, Y. M. X.; TALOU, M. H.; CAMERUCCI, M. A.

Mar del Plata

Congreso; 20° Congreso Internacional de Metalurgia y Materiales SAM-CONAMET 2022; 2022

Según la norma ASTM, la fabricación o manufactura aditiva (AM, por sus siglas en inglés), comúnmente conocida como impresión 3D, se puede definir como la materialización de un objeto, el cual es previamente diseñado tridimensionalmente con herramientas CAD (modelo 3D), a través del proceso de unión de los materiales constituyentes capa por capa y de forma sucesiva (en contraposición a la manufactura sustractiva y formativa), utilizando métodos de deposición controlados digitalmente. Muchas de estas técnicas han sido comercializadas para la fabricación de piezas con formas complejas basadas en polímeros o metales; sin embargo, se ha avanzado de forma menos vertiginosa en el desarrollo de componentes cerámicos de calidad a partir del uso de esta tecnología, constituyendo hoy en día un área de estudio relevante en el contexto mundial.La sinterización selectiva por láser (SLS) es una técnica de AM en la cual un láser, que actúa como fuente de energía térmica, calienta selectivamente regiones de un lecho de polvo. El proceso de impresión 3D por SLS comienza con la distribución de una fina capa de material en polvo sobre la plataforma de construcción, luego la energía del láser inscribe la sección transversal de la pieza por sinterización (o fusión parcial) del polvo y, a continuación, se distribuye otra capa de polvo sobre la anterior, repitiéndose estos pasos hasta que la pieza es completada. Las piezas producidas por SLS se ven afectadas por una serie de factores asociados principalmente con el material de alimentación y su interacción con el láser. Asimismo, parámetros de impresión como la potencia del láser, la velocidad de barrido del láser, el espaciamiento del barrido y el espesor de la capa deben ser controlados cuidadosamente para garantizar la impresión adecuada de las piezas. En el caso de componentes cerámicos, como la manufactura aditiva directa requiere del uso de un láser de muy alta potencia para generar temperaturas lo suficientemente elevadas, así como de tiempos de exposición muy prolongados para desencadenar el proceso de sinterización, la densificación local del polvo cerámico no ocurre fácilmente. Además, los esfuerzos térmicos inducidos durante la impresión asociados a las elevadas velocidades de calentamiento y enfriamiento conducen, en general, a la generación de fisuras en los cuerpos sinterizados debido a la pobre resistencia frente al choque térmico que presentan muchos de los cerámicos. Por lo tanto, se suelen aplicar técnicas indirectas, en las cuales se emplean sistemas ligantes orgánicos, basados principalmente en polímeros, para unir las partículas cerámicas durante el proceso de impresión 3D y obtener así la pieza en verde. Seguidamente esta pieza en verde se debe calentar cuidadosamente para eliminar este ligante (proceso de calcinación, también denominado ‘debinding’) y se sinteriza para obtener el producto cerámico final.En este trabajo se estudió el procesamiento de piezas cerámicas porosas basado en la impresión 3D por sinterización selectiva por láser indirecta (i-SLS) de un novedoso sistema de alimentación, el cual consistió en gránulos de alúmina-grafito-poliamida (PA612) obtenidos mediante una técnica poco utilizada para laobtención de polvos denominada separación de fases inducida térmicamente (TIPS). Esta técnica involucra la disolución del polímero en un solvente adecuado por calentamiento, seguida de la precipitación del polímero inducida por el enfriamiento controlado de la solución. Los gránulos obtenidos, denominados (Al2O3-MG)-PA612, fueron caracterizados mediante ensayos de absorción de luz visible en modo reflectancia difusa, espectroscopía Raman, microscopía electrónica de barrido (SEM) con espectroscopía por dispersión de energía (EDS), análisis termogravimétricos en atmósfera de aire, calorimetría diferencial de barrido (DSC) en atmósfera de N2 y ensayos de picnometría. Para la impresión 3D por i-SLS se empleó una impresora 3D SLS comercial, equipada con un láser de diodo azul (con una longitud de onda de 445 nm) de 2,3 W de potencia. Las condiciones de impresión fueron determinadas mediante un diseño de experimentos, de tres factores (velocidad de barrido del láser, espaciamiento del barrido y espesor de la capa) con cinco niveles y evaluando como respuestas la integridad de la pieza en verde y la exactitud dimensional. Bajo las condiciones de impresión óptimas, se imprimieron discos con diferentes estructuras porosas, los cuales fueron caracterizados mediante SEM-EDS y mediciones dimensionales utilizando un calibre. Las estructuras impresas fueron sometidas a un proceso de calcinación en aire hasta 1200 °C, previamente diseñado para eliminar cuidadosamente el ligante y el micrografito; y, posteriormente, sinterizadas a 1580 °C durante 2 horas con el fin de obtener el producto cerámico final. Las piezas sinterizadas se caracterizaron por mediciones de densidad y porosidad aparente utilizando el método de Arquímedes, contracción, pérdida por calcinación y SEM. A partir del control de los parámetros de impresión, se lograron imprimir estructuras con geometría y porosidad controlada, mientras que las piezas sinterizadas mostraron buena integridad estructural con una porosidad aparente de 61±2% y una microestructura de granos equiaxiales con un tamaño de 2,0±0,7 μm.