Selección del dispersante correcto para la fabricación aditiva de cerámicas

Publicado por Equipo de recubrimientos de alto rendimiento el 10/05/2022

La fabricación aditiva o impresión 3D es una alternativa a los procesos tradicionales de moldeado y formación que se utilizan actualmente en la industria de la fabricación de cerámica. Entre todas las diferentes tecnologías disponibles, hoy nos centraremos en la fotopolimerización y las formulaciones cerámicas relacionadas.

En primer lugar, el polvo cerámico se dispersa de forma homogénea en un sistema aglutinante orgánico fotocurable. La forma del cuerpo verde se fabrica capa por capa mediante la exposición selectiva de esta suspensión a la luz ultravioleta. La producción de estructuras de materiales densos requiere suspensiones con una distribución uniforme de las partículas cerámicas y una alta carga de sólidos. Esto puede lograrse utilizando el dispersante apropiado en la formulación. Los dispersantes no solo ayudan a lograr la resistencia mecánica final, sino que también juegan un papel clave en el proceso de impresión. Se utilizan para humedecer y dispersar polvos finos en la resina fotocurable y para el control de la reología. Los dispersantes pueden ayudar a reducir la viscosidad y a conseguir una distribución estrecha del tamaño de las partículas mediante la disminución de la aglomeración.

Lubrizol desarrolló una tecnología de dispersantes bajo la marca de hiperdispersantes Solsperse™ AC que se adapta a los nuevos procesos de fabricación en cerámica avanzada, incluida la fabricación aditiva.

La siguiente es una transcripción editada de una conversación con el Dr. Baschar Ozkan, científico del Centro de Excelencia en Fabricación Aditiva (AM-COE) del Reino Unido. El AM-COE utilizó los dispersantes Solsperse AC para desarrollar nuevas formulaciones cerámicas destinadas a la impresión estereolitográfica de cerámica.

P.: ¿Podría contarnos algo más sobre el AM-COE y los proyectos en los que está trabajando?

El AM-COE tiene el objetivo de aumentar el uso de la impresión 3D por fotopolimerización en las industrias de fabricación de alto valor, en las que las geometrías complejas, los materiales avanzados, la sostenibilidad y la durabilidad, el diseño y el rendimiento y el tiempo del ciclo entre el concepto y la producción son los motores y los factores que impulsan la industria. Gracias a sus centros de investigación de alto nivel y a sus capacidades de fabricación, el AM-COE ofrece el diseño de materiales y el desarrollo de tintas para diferentes aplicaciones, una amplia gama de impresoras 3D DLP de alta gama y asequibles para la fabricación de metales y cerámicas destinadas a la producción en serie y a la investigación, y servicios profesionales, como la impresión 3D de cerámicas, metales y polímeros, metrología y medición de superficies, servicios de rayos X y NDT, caracterización de materiales y servicios de ingeniería y diseño. Estamos estratégicamente ubicados en Derby, cerca de las instalaciones de Rolls Royce y Bombardier y de otros clientes y proveedores, a tres horas de distancia de las principales ciudades, centros de fabricación y aeropuertos de Inglaterra.

Mezclamos, imprimimos en 3D, desbarbamos, sinterizamos e impregnamos la mayoría de los tipos de cerámica y mezclas compuestas, pero nos centramos principalmente en sílice, circón, mullita, alúmina, cuarzo y otras cerámicas de alta temperatura. Trabajamos principalmente en la impresión 3D de núcleos cerámicos intrínsecos y complejos para la fundición de superaleaciones equiaxiales, DS y SX, todo ello conforme a especificaciones y calidad comerciales. Además, los modelos de fundición de sacrificio y los núcleos de cerámica para el proceso de fundición por inversión son nuestras otras principales especialidades. Imprimimos patrones de fundición en 3D cargados de cera y sumamente precisos, compatibles con aplicaciones aeroespaciales y de IGT, con la máxima estabilidad dimensional.

Soy un científico en impresión 3D con experiencia en cerámica técnica y de alta temperatura. Trabajo principalmente en el desarrollo de materiales de suspensiones cerámicas altamente cargadas y fotocurables para diversas aplicaciones e industrias, como en el sector aeroespacial y de medicina, energía, automoción y petróleo y gas. Mis otras responsabilidades en el AM-COE son el diseño de todo el proceso de fabricación de componentes cerámicos, desde la preimpresión hasta la optimización posterior a la impresión y desde los proyectos de desarrollo hasta las configuraciones de fabricación en serie. También estoy entusiasmado por comenzar a trabajar en baterías impresas en 3D en breve.

P.: ¿Qué es lo que se busca al seleccionar un dispersante para las formulaciones cerámicas de fabricación aditiva?

Por lo general, nuestro objetivo es alcanzar al menos un 50 % de volumen en las suspensiones cerámicas para evitar grietas y delaminaciones durante el posprocesamiento, pero en nuestros procesos y consolidación de piezas cerámicas conviene lograr cargas aún mayores. Sin embargo, para las aplicaciones de impresión cerámica basadas en litografía, lograr el equilibrio adecuado entre viscosidad y carga de sólidos en la mezcla suele ser muy difícil. Por un lado, es esencial contar con una mayor fracción de volumen de partículas sólidas para lograr una menor contracción y una mayor densidad (es decir, resistencia mecánica tras la sinterización). Por otro lado, un mayor contenido de sólidos tiene un impacto significativo en la viscosidad de la mezcla y en el propio proceso de impresión. Esto lleva a la segregación del contenido sólido, lo cual aumenta el tiempo de impresión y provoca la formación de montículos convexos en la superficie del cuerpo de impresión y potentes fuerzas de descascarado, con la consiguiente aparición de grietas en las piezas. Las suspensiones cerámicas en nuestras aplicaciones deben ser sumamente móviles, uniformes, estables y homogéneas como para facilitar la autonivelación y el recubrimiento de la capa de impresión (es decir, la viscosidad de la resina debe ser lo más baja posible, preferentemente menor de 5000 mPa-s sin ningún punto de cedencia pronunciado que interfiera con la obtención de capas finas uniformes).

Los dispersantes son compuestos esenciales que mejoran la procesabilidad de las suspensiones cerámicas altamente cargadas en los procesos de impresión. Los materiales cerámicos utilizados para la mayoría de nuestras aplicaciones son polvos de óxido y suelen tener grupos hidroxilos en la superficie, lo cual explica su carácter hidrofílico. Por lo tanto, normalmente buscamos la compatibilidad de los dispersantes con nuestros sistemas aglutinantes fotopolimerizables a base de (met)acrilato o epoxi y las mezclas de cerámica en polvo. Identificar el tipo correcto de dispersante y el nivel de dosificación tiene un impacto vital en el comportamiento reológico de nuestras suspensiones cerámicas fotocurables. El aumento del tamaño de la cadena del dispersante por encima del límite de adsorción provoca un incremento de la viscosidad o una reducción de la estabilidad de las mezclas, debido a colapsos en la capa de resina. Por lo tanto, debe considerarse un tamaño de la cadena de dispersantes adecuado en función del tamaño de las partículas y de la fracción sólida a la hora de diseñar la formulación de la suspensión.

P.: Usted probó recientemente los hiperdispersantes Solsperse™ de Lubrizol. ¿Qué resultados obtuvo?

En general, los hiperdispersantes Solsperse  junto con nuestros monómeros de (met)acrilato fotocurables son excelentes para lograr un mayor rendimiento de dispersión con una amplia gama de partículas cerámicas. Gracias a los productos de Lubrizol, podemos aumentar la concentración de varias cerámicas para producir suspensiones cerámicas de gran estabilidad y baja viscosidad de hasta un 60-65 % de volumen. Además de la capacidad de dispersión y el comportamiento reológico, las suspensiones formuladas deben tener una gran estabilidad (buena homogeneidad) para que puedan utilizarse y almacenarse durante mucho tiempo. En comparación con los típicos dispersantes tradicionales, los dispersantes poliméricos de Lubrizol nos proporcionan una gran estabilidad y confiabilidad para las prolongadas operaciones de impresión en 3D. Puedo confirmar que se demostró que tienen una gran pureza y un bajo contenido de cenizas en nuestros procesos de combustión y sinterización.

La figura 1 que aparece a continuación refleja el rendimiento de la dispersión de algunos hiperdispersantes Solsperse™ para suspensiones cerámicas altamente cargadas con sílice en un 60 % de volumen. Como se muestra en la figura 1, los productos de Solsperse AC 1 y  Solsperse AC 2  son adecuados para la dispersión de tamaños pequeños de partículas con el fin de lograr una alta densidad y pureza en los productos finales. Por el contrario, los productos Solsperse AC 3 y Solsperse AC4 son ideales para controlar la estabilidad de las cerámicas con partículas de gran tamaño cuando se requiere una alta porosidad, como en las aplicaciones de núcleos cerámicos. Cada formulación de dispersión de Lubrizol tiene un impacto único en nuestras formulaciones, con lo cual se obtienen las propiedades requeridas del material y de la pieza según el tipo de cerámica y aglutinante que se utilice en las aplicaciones de impresión. Las figuras 3 y 4 muestran un ejemplo de cómo los productos Lubrizol tienen un impacto en la viscosidad de nuestras suspensiones de alúmina y circonio cargadas con un 60 % de volumen, respectivamente. Incluso podemos lograr cargas sólidas más elevadas, como un 65-66 % de volumen, con el dispersante disponible en la gama de productos de Lubrizol.

Figura 1.  El efecto de los hiperdispersantes Solsperse™   en la viscosidad de suspensiones cargadas con sílice en un 60 % de volumen.
Nota: Se cambió el nombre de los hiperdispersantes Solsperse™ AC para no divulgar información patentada.

 

Figura 2.  El comportamiento reológico de las suspensiones cargadas con sílice entre los ciclos de impresión, cuando la viscosidad es constante a 200 s-1 para los períodos (durante la limpieza) y a 0 s-1 para los períodos de inactividad (durante la impresión).
Nota: Se cambió el nombre de los hiperdispersantes Solsperse™ AC para no divulgar información patentada.

 

Figura 3.  El efecto de los hiperdispersantes Solsperse™ en la viscosidad de suspensiones cargadas con alúmina en un 60 % de volumen.
Nota: Se cambió el nombre de los hiperdispersantes Solsperse™ AC para no divulgar información patentada.

 

Figura 4.  El efecto de los hiperdispersantes Solsperse™  en la viscosidad de suspensiones cargadas con circonio en un 60 % de volumen.
Nota: Se cambió el nombre de los hiperdispersantes Solsperse™ AC para no divulgar información patentada.

 

P.: ¿Cómo se comparan los hiperdispersantes Solsperse™ AC con otros dispersantes disponibles en el mercado? ¿Qué beneficios aportan?

Por lo general, la capacidad de dispersión de otros productos del mercado no es suficiente para lograr una alta carga de sólidos y se limitan a un 50 % de volumen en nuestras formulaciones. Sin embargo, incluso con dicha carga sólida, la viscosidad de nuestras suspensiones formuladas con estos dispersantes era considerablemente mayor que la de los productos de Lubrizol, lo cual daba lugar a elevadas fuerzas de descascarado durante la impresión y terminaba provocando grietas y delaminación en las piezas finales. Además, la falta de linealidad de nuestras suspensiones dispersadas con otros productos aumenta significativamente con el incremento de la carga sólida; las suspensiones por encima del 55 % de volumen de fracción sólida presentan un comportamiento de espesamiento por cizallamiento con un fuerte aumento de la viscosidad cuando la tasa de cizallamiento crece. Este comportamiento inhibe la uniformidad de las nuevas capas de extensión y debe evitarse, especialmente para las aplicaciones de impresión en cerámica, en las que se necesita mucho tiempo de procesamiento y gran precisión. También observamos un comportamiento viscoelástico en otros productos tradicionales, en los que la suspensión tiene propiedades tanto viscosas como elásticas. No es conveniente que se contraiga la capa de dispersión tras la reposición de una nueva capa por parte de la cuchilla de revestimiento debido al fenómeno viscoelástico que conlleva la deformación de la pieza o dificulta la cohesión de la capa (degradación de la superficie de las capas polimerizadas). La figura 5 muestra un estudio comparativo sobre el rendimiento de los productos de Lubrizol y otros dispersantes disponibles en el mercado que probamos para nuestras aplicaciones, en el que se muestran los beneficios de una menor viscosidad, una mejor reología y homogeneidad y una mayor capacidad de carga de sólidos.

Figura 5.  Estudio comparativo del rendimiento de los dispersantes a cargo de AM-COE. Ilustra el rendimiento de los productos de Lubrizol en comparación con otros dispersantes poliméricos del mercado, mezcla de polvo cerámico de sílice fundida y silicato de circonio al 45 % de volumen.

 

P.: ¿Cómo ve el futuro de la fabricación aditiva para la cerámica avanzada?

La aplicación de la cerámica avanzada se está disparando en el sector aeroespacial y en muchos otros, donde se está convirtiendo en el material preferido gracias a su bajo peso, durabilidad y sostenibilidad, además de otras propiedades de alto rendimiento, como la resistencia a las altas temperaturas, al choque térmico y al desgaste. En comparación con la fabricación aditiva de polímeros o metales, la impresión 3D de cerámica era menos popular y se utilizaba más para la creación de prototipos e I+D. Sin embargo, en los últimos años, la fabricación aditiva de cerámica está llamando mucho la atención en los sectores aeroespacial, de defensa, dental y médico. Estas industrias también están interesadas en la producción de piezas en series pequeñas.

Esta tecnología es cada vez más popular porque permite crear herramientas y componentes mucho menos costosos y más complejos. Las técnicas convencionales, como el moldeo por inyección, el prensado isostático en caliente o la extrusión, se utilizan desde hace mucho tiempo en la industria cerámica. Sin embargo, los gastos asociados siguen siendo elevados debido a las restricciones geométricas de las piezas acabadas y a los prolongados plazos de entrega. Aquí es donde interviene la fabricación aditiva de cerámica, al igual que los mercados de metales y polímeros. Si bien hay muchas incógnitas sobre las aplicaciones de la impresión 3D de cerámica, y todavía es una tecnología incipiente, las previsiones a 10 años muestran que la fabricación aditiva de cerámica tiene un brillante futuro por delante. Aún queda mucho por explorar sobre el impacto de la fabricación aditiva en cerámica avanzada para componentes fabricados con menos restricciones de diseño y la ciencia que hay detrás, lo cual supondrá un gran cambio de las reglas del juego para toda la industria manufacturera.

AM-COE, 33 Shaftesbury Street South, Derby, DE23 8YH, Reino Unido

Contacto: info@AM-COE.com

Sitio web: http://www.am-coe.com/

 

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