Processing and sintering of complex ceramics obtained by additive manufacturing

Abstract

[ES] La fabricación aditiva de cerámicas se ha expandido significativamente en las últimas décadas debido a sus excepcionales ventajas en cuanto a flexibilidad y menor coste sobre el procesado tradicional de fabricación sustractiva. Hoy en día, la fabricación aditiva de cerámicas atrae un interés considerable debido a la creciente demanda de componentes ligeros y de formas complejas como el ZrO2 que se utiliza principalmente en el área biomédica o espacial. En este estudio, se investigarán dos cerámicas, la zircona (ZrO2) y el zircón (ZrSiO4). El objetivo de esta investigación es desarrollar cerámicas complejas mediante impresión 3D y distintas condiciones de sinterizado. El primer paso es obtener el tamaño adecuado de la materia prima utilizada (ZrO2-PLA (86 % en peso) y ZrSiO4-PLA (63% en peso)). Al mismo tiempo, hay que hacer el boceto de la pieza compleja en Solidworks. La segunda parte consiste en eliminar la parte polimérica del composite la cual influye en las propiedades finales de la pieza de la pieza verde. Se elegirán las condiciones adecuadas de sinterización ya sea la forma convencional (horno) o mediante microondas que es un método no convencional que es más corto y permite mantener la misma microestructura. Finalmente, se medirán las propiedades mecánicas como la dureza (ensayo Vickers), la porosidad, la microestructura (FESEM) y el porcentaje de contracción. Además de todas estas pruebas, se realiza el TGA en varios momentos (al principio, después del estado verde, después de la sinterización) para comprobar la calidad del polvo, y ser conscientes del cambio de la composición.

[EN] Additive manufacturing of ceramics has been expanded significantly in the last decades due to its exceptional advantages in flexibility and lower cost over the traditional subtractive manufacturing process. Nowadays, additive manufacturing of ceramics attracting considerable interest due to the increasing demand for lightweight and complex shaped components like ZrO2 that is mainly used in biomedical or in spatial area. In this study, two ceramics Zirconia (ZrO2) and Zircon (ZrSiO4) were investigated. The purpose of this research is to create complex ceramics by 3D printing, then to test several types of sintering to finally compare them. The first step is to create the right size of the powder used (ZrO2-PLA (86% wt) and ZrSiO4-PLA (63% wt)). At the same time, the sketch of the complex part must be made on Solidworks. Then, come the second part and the addition of acetone that influence the final properties of the piece. This additive is used to remove major part of the PLA present in the green piece. After that, the type of sintering is chosen either the conventional way (oven) and the right ratio time/temperature must be found to obtain the best mechanical properties. Or the microwaves sintering that is an non-conventional method which is shorter and allows to keep the same microstructure as at the beginning. Finally, mechanical properties as hardness (Vickers test), porosity, toughness (FESEM) and percentage of contraction were investigated. In addition to all these tests, TGA is performed at several times (at the beginning, after the green state, after the sintering) to check the quality of the powder, and to be aware of the change of the composition.