ProduzioneStampa 3D - Processi

Un nuovo e promettente approccio alla stereolitografia SiC commercialmente praticabile

La manifattura additiva di ceramiche non ossidate come il carburo di silicio è molto meno sviluppata rispetto agli ossidi (come allumina e zirconia). Se adeguatamente sviluppata, potrebbe aprire la strada a funzionalità diverse da quelle ottenibili con la ceramica all’ossido, in particolare alle alte temperature, con stabilità superiore, elevata conducibilità termica, forti proprietà meccaniche e bassa densità. Un nuovo approccio basato sui precursori Smart SiC, sviluppato dall’istituto IRCER di Limoges e da 3DCeram, potrebbe presto offrire una soluzione commercialmente valida per la stereolitografia SiC.

La produzione di parti ceramiche complesse in metallo duro mediante stereolitografia amplierebbe le applicazioni di questi materiali, in particolare per le parti strutturali (ad esempio strutture alleggerite che operano sotto stress meccanici e/o termici e assorbitori solari in sistemi termodinamici concentrati). Tuttavia, la stampa 3D di materiali in carburo di silicio con tecnologie AM basate sulla luce è tra le imprese più difficili che si possano pensare. Eppure (o forse perché è così impegnativo) alcune delle aziende più avanzate nella stampa 3D in ceramica stanno ora lavorando alla stampa 3D SiC.

Il laboratorio IRCER (parte dell’Università di Limoges/CNRS) è una delle strutture più avanzate per lo studio di materiali ceramici avanzati in qualsiasi parte del mondo. Qui, un team guidato da Thierry Chartier e supportato dal produttore francese di stampanti 3D SLA 3DCeram, sta lavorando sui modi per ottimizzare la stampa 3D del carburo di silicio su una stampante 3D Ceramaker.

La stampante 3D Ceramaker C100 di 3DCeram

Quest’ultimo sviluppo illustra il lavoro collaborativo e stretto tra il mondo scientifico e industriale. I primi risultati sembrano promettenti. L’associazione “stereolitografia laser UV SiC” attualmente in fase di sviluppo potrebbe svolgere un ruolo decisivo nello sviluppo di questa tecnologia. La combinazione di precursori Smart SiC e processi additivi ridurrà le fasi di produzione, rendendo il processo più efficiente dal punto di vista energetico ed economicamente sostenibile. Questo approccio potrebbe quindi ottenere, dopo i trattamenti termici, parti dense con forme altamente complesse.

Il compromesso tra leggerezza/longevità/funzionalità costituisce la chiave per dimostrare la rilevanza delle parti in metallo duro sviluppate accoppiando la “stereolitografia con precursori SiC laser UV-Smart” e accelerando così il loro impiego industriale. A titolo di esempio, questi materiali dovrebbero essere in grado di fornire una risposta alle sfide energetiche e ambientali nel trasporto aereo (ad es. Necessità di ridurre drasticamente il consumo di carburante) nonché nella produzione di energia (ad es. Miglioramento dell’efficienza di conversione ad alta temperatura del ricevitore solare volumetrico (VSR) in unità di energia solare concentrata (CSP) e quindi offrire un’alternativa energetica sfruttando l’energia solare).

Perché la stereolitografia SiC è così difficile?

La stereolitografia, come la polimerizzazione UV usata di sospensioni o paste reattive contenenti polveri ceramiche, può essere utilizzata solo per materiali a basso assorbimento di radiazioni UV (da 350 a 400 nm), che è principalmente il caso di ossidi come allumina, zirconia, silice e idrossiapatite . Il carburo di silicio ha un tasso di assorbimento della luce UV molto elevato (circa l’80% di assorbimento a 355 nm), il che rende impossibile la stereolitografia ceramica standard da una resina fotocurabile.

Una possibile soluzione è l’applicazione di un rivestimento sulle particelle di SiC (struttura nucleo-guscio) da uno strato di materiale non trasparente e non assorbente nella lunghezza d’onda fotocurante desiderata. D’altra parte, ciò può introdurre una fase secondaria nel materiale finale, che può essere dannosa per le proprietà desiderate interessate, in particolare alle alte temperature. Gli additivi di sinterizzazione convenzionali di SiC in fase liquida (cioè Y2O3, Al2O3, ecc.) non sono fattibili perché sono per lo più trasparenti e consentono quindi alle radiazioni di passare attraverso il rivestimento e di essere assorbite dal SiC.

Un secondo approccio consiste nell’utilizzare sistemi basati su polimeri preceramici: questi materiali possono essere modellati come polimeri e quindi trasformati in materiale ceramico dopo il trattamento termico, con un controllo preciso della composizione chimica del materiale finale. A questo proposito, la modellatura dei polimeri preceramici mediante la stereolitografia sembra essere un approccio estremamente rilevante.

Stereolitografia del polimero preceramico: sistema A-organico, stereolitografia B dei polimeri preceramici, parte polimerica preceramica C-verde, parte in ceramica derivata D-polimero dopo trattamenti termici EH-Esempi di parti costruite mediante stereolitografia della ceramica prepolimerica.

L’accoppiamento del prepolimero ceramico con i processi derivati ​​dalla litografia è stato sviluppato a metà degli anni 2000 per applicazioni nel mercato dei microsistemi elettromeccanici (MEMS) ad alte temperature o in un ambiente corrosivo. Le nanostrutture ceramiche 2D e 3D sono state costruite con metodi litografici e stereolitografici con una risoluzione di diversi micrometri, usando polimeri preceramici o polimeri miscelati con polveri ceramiche. Microstrutture in carburo di silicio 3D (Si-CN) ceramiche più complesse potrebbero essere fabbricate da un polisilazano “acrilato” (polimeri in cui gli atomi di silicio e azoto si alternano per formare la spina dorsale di base) seguito da pirolisi a 600 ° C sotto gas argon. Questo studio, tuttavia, ha anche dimostrato che l’uso di polimeri preceramici commerciali nei processi basati sulla litografia per la fabbricazione precisa di oggetti 3D comporterebbe una contrazione del volume del 40%. Troppo alto per consentire la fabbricazione precisa di pezzi di grandi dimensioni.

Solo di recente l’uso della stereolitografia e dei polimeri preceramici è stato dimostrato nella produzione di parti ceramiche 3D più grandi, che rappresentano l’uso chiave del carburo di silicio. I primi studi sono stati condotti presso il laboratorio HRL dal Prof. TA Schaedler e dall’Università di Padova dal Prof. Paolo Colombo. Questi studi sono stati condotti utilizzando una miscela di un polisilossano commerciale (silicone), una resina fotopolimerizzabile (a base di metacrilato) e un fotoiniziatore (sistema canforochinone-ammina) per formare parti di ossicarburo di silicio 3D (Si-OC).

Parti verdi prodotte dalla stereolitografia di AMHPCS

Tuttavia, questi ossicarburi di silicio non soddisfano le applicazioni ad alta temperatura (tipicamente per l’aviazione civile e militare) a causa della presenza di carbonio libero, che induce reazioni di carboreduzione che generano specie volatili oltre i 1000° C. Inoltre, la rimozione della resina e la trasformazione del PDC in ceramica hanno comportato un restringimento di volume molto elevato del 71%.

Un altro esempio più recente riguarda la fabbricazione di ceramiche di tipo SiC da un precursore SiC miscelato con una resina acrilata con un fotoiniziatore. La pirolisi effettuata a 1300 ° C sotto gas argon porta ad un carburo di silicio (SiC) con un’alta percentuale di carbonio libero, che può essere problematico per applicazioni ad alta temperatura in atmosfera ossidante e un restringimento di volume elevato.

La soluzione IRCER-3DCeram

L’accoppiamento “stereolitografia-Smart SiC” è un modo promettente per sollevare il blocco legato alla bassa reattività di un sistema basato su particelle di SiC altamente assorbenti nel campo UV. L’uso di prepolimeri commerciali, associati a una resina fotopolimerizzabile, porta a rese molto basse (restringimento molto elevato) con livelli significativi di carbonio libero (13-20%) e ossigeno (8-15%.), che compromettono la produzione di pezzi densi di grandi dimensioni con una buona risoluzione dimensionale mediante stereolitografia e che sono dannosi per la stabilità dei materiali in temperatura.

Sulla base di questo stato dell’arte, il lavoro in corso tra IRCER e 3DCeram si concentra su due approcci diversi, uno basato su prepolimeri specifici per il cliente e il secondo su una nuova chimica delle sospensioni utilizzate nella stereolitografia adattata solo all’insolazione laser focalizzata. Entrambi gli approcci sono realizzati su macchine Ceramaker. Questi studi rappresentano una vera sfida scientifica e tecnologica e dovrebbero portare a medio termine alla fattibilità delle parti SiC 3D mediante stereolitografia su una macchina Ceramaker.

Parti verdi e ceramiche prodotte dalla stereolitografia di AMHPCS

Perché la stereolitografia SiC è così rilevante?

La stereolitografia, un termine che oggi include una serie di processi di stampa 3D basati sulla luce, è stato il primo processo di produzione additiva ad emergere. Oggi, il processo di stereolitografia fa parte di una serie di processi da considerare per lo sviluppo di parti strutturali basate su materiali ceramici avanzati, strato per strato, da un sistema fotocurabile costituito da una dispersione di particelle ceramiche in una resina fotosensibile.

Mentre le opportunità di mercato complessive per le parti in carburo di silicio stampate in 3D sono ancora relativamente ridotte , le possibilità offerte da questo materiale – una delle ceramiche più utilizzate – sono molto significative e potrebbero essere sfruttate appieno attraverso l’implementazione delle funzionalità AM. Poiché il SiC è il migliore quando si utilizzano le sue impressionanti proprietà meccaniche per parti complesse e avanzate, oggi il mercato delle parti in carburo di silicio è limitato dal costo relativamente elevato della produzione di parti SiC complesse utilizzando strumenti e dai costi estremamente elevati di produzione di parti SiC complesse in modo sottrattivo da un solido.

La stereolitografia è l’unico processo additivo che consente la produzione diretta di parti in ceramica densa con architetture complesse, alta risoluzione dimensionale, buona finitura superficiale e proprietà simili a quelle ottenute dai processi convenzionali. I vantaggi offerti dalla produzione additiva diventano ancora più rilevanti per i materiali ceramici più duri, che sono estremamente difficili da elaborare con i metodi formativi e sottrattivi tradizionali. Questi includono complessità, ottimizzazione mediante simulazione CAE, leggerezza, riduzione del numero di componenti negli assiemi, ottimizzazione termica e/o del flusso migliorata in un reattore chimico/termico, per citarne alcuni. Inoltre, la risoluzione dimensionale che può essere raggiunta nella stereolitografia rende possibile, per la maggior parte delle applicazioni, evitare lavorazioni costose e difficili,

Supporta la qualità
Aiutaci a portarti le informazioni che servono al tuo business

Davide Sher

Sono un giornalista professionista iscritto all'ODG dal 2002 e mi sono sempre occupato di comunicazione trade. Per 10 anni ho redatto una testata dedicata al mercato dei videogiochi e successivamente ho partecipato alla creazione del primo iPad magazine dedicato all'elettronica di consumo. Dal 2012, mi occupo esclusivamente di stampa 3D/manifattura additiva, che vedo come la più affascinante e reale delle tecnologie oggi agli albori ma che plasmeranno il nostro futuro. Ho fondato Replicatore.it nel 2013 e ho scritto come blogger per diversi siti internazionali. Nel 2016 ho fondato la mia società 3dpbm (www.3dpbm.com), con base a Londra, che offre servizi di supporto alle aziende che vogliono comunicare, sia in Italia che nel mondo, i loro prodotti legati alla manifattura additiva. Oggi pubblichiamo diverse testate internazionali tra cui 3D Printing Media Network (il nostro sito editoriale internazionale), 3D Printing Business Directory (la più grande directory al mondo di aziende legate alla stampa 3D), Replicatore.it, Replicador.es e 3D Printing Media Network Chinese Version. Inoltre sono Senior Analyst di SmarTech Analysis, una delle più importanti realtà al mondo attive nella rilevazione di dati e previsioni di mercato relative ai vari segmenti verticali dell'industria della manifattura additiva.

Articoli Correlati

Back to top button
Close
Close

ADDITIVATI ADESSO

 

Iscriviti per ricevere le ultime notizie sull'industria della stampa 3D.

Ho letto e accetto l'informativa sulla privacy.*

Questa informazione non sarà mai condivisa con terze parti

BENVENUTO A 

BORDO!