AM di ceramica elettricamente conduttiva mostrata per elementi riscaldanti

Come parte di un progetto di ricerca e sviluppo di PolyMerge, TIWARI Scientific Instruments e Fraunhofer IKTS

Davide Sher 15/10/2021

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Nell’ambito di un progetto di ricerca e sviluppo, PolyMerge GmbH, TIWARI Scientific Instruments GmbH e Fraunhofer IKTS (il Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems Dresden) hanno sviluppato un processo per la produzione additiva di componenti multimateriale di ceramica, che possono essere riscaldati fino a 1400 °C, per la saldatura senza contatto di componenti in plastica tramite riscaldamento a infrarossi. Il processo AM che utilizza ceramiche elettricamente conduttive è stato mostrato per elementi riscaldanti complessi.

AM di ceramica elettricamente conduttiva mostrata per elementi riscaldanti da Tiwari, Polymerge e Fraunhofer IKTS

In contrasto con le tecnologie all’avanguardia, che utilizzano emettitori di vetro al quarzo o lamina di metallo, questa nuova tecnologia offre una libertà geometrica e una flessibilità di produzione molto maggiori grazie alla fabbricazione con stampa 3D. L’obiettivo di sviluppo di PolyMerge GmbH, Germania, un produttore di macchine per la saldatura della plastica, era sviluppare emettitori complessi per il riscaldamento senza contatto e l’unione di componenti in plastica in tempi di ciclo brevi. Un team di Fraunhofer IKTS, Germania, ha supportato lo sviluppo con il suo know-how sui processi e sui materiali insieme all’esperienza di stampa 3D di TIWARI Scientific Instruments GmbH

Nel progetto, è stata utilizzata la fabbricazione di filamenti fusi per ceramica (CerAM FFF) per produrre emettitori personalizzati. La stampa 3D delle varie strutture è stata eseguita a una temperatura moderata di 160°C, a una velocità di 25 mm/s e con un’altezza dello strato di 150 μm. TIWARI Scientific Instruments GmbH, una startup supportata dall’ESA in Germania, ha utilizzato una stampante 3D commerciale con una testina di stampa modificata per produrre in modo additivo le parti. L’estrusione precisa del filamento e l’ottima adesione con il piano di stampa hanno permesso di produrre le parti con dettagli elevati e senza distorsioni. Il processo di produzione applicato consente un design multicomponente. In questo modo, è stata utilizzata una combinazione di materiale ceramico elettricamente conduttivo e elettricamente isolante per produrre la sofisticata struttura del riscaldatore.

Il materiale di base utilizzato per l’AM di ceramiche elettricamente conduttive per produrre gli elementi riscaldanti era nitruro di silicio (Si3N4), che è stato miscelato con disiliciuro di molibdeno elettricamente conduttivo (MoSi2). Questo materiale composito ceramico elettricamente conduttore ha un’eccellente resistenza alle alte temperature e resiste a carichi strutturali elevati anche durante il riscaldamento. Il secondo materiale di composizione simile, ma con un contenuto di MoSi2 inferiore, è stato sviluppato per fornire isolamento elettrico o per irrigidire le strutture in filigrana del componente conduttivo. Il materiale elettricamente conduttivo e quello elettricamente isolante sono stati combinati in una parte a due componenti mediante una produzione multimateriale. Un altro vantaggio della ceramica e della parte multimateriale fabbricata è la resistenza alla corrosione. Il materiale elettricamente isolante può essere utilizzato anche per proteggere il componente conduttivo dalla corrosione, prevenendo l’ossidazione e aumentando la stabilità del ciclo.

Oltre alle applicazioni relative alla saldatura senza contatto presso PolyMerge, la tecnologia e il processo consentiranno anche la produzione di componenti per applicazioni aerospaziali, come iniettori leggeri ad autoaccensione e altre applicazioni simili nei sottosistemi di propulsione.