Impresión 3D de materiales cerámicos

Resumen

En los últimos años, la fabricación aditiva, más conocida como impresión 3D, ha experimentado un crecimiento exponencial especialmente en lo referente a polímeros y metales. Por lo que respecta a materiales cerámicos, a pesar de los indudables avances que se han producido en las últimas 3 décadas, sigue tratándose de una tecnología de difícil acceso y restringida a muy pocos materiales, para sistemas donde el usuario tiene poca capacidad para modificar parámetros. Dado el fuerte y marcado carácter interdisciplinar, la investigación sobre la materia se ha realizado en torno a tres ejes complementarios: sistemas de impresión, materiales y aplicaciones. Por ello, en la presente tesis el trabajo se ha centrado en la fabricación de materiales cerámicos mediante tres diferentes tecnologías de impresión 3D: extrusión, fotopolimerización y proyección (inkjet), manteniendo como uno de los objetivos fundamentales del proceso el bajo coste del mismo. Dentro de las técnicas de extrusión de material las investigaciones se enfocaron en el modelado por deposición fundida (FDM), ya que es la más extendida y económica de todas, donde un kit de impresión 3D se puede adquirir por unos pocos cientos de euros. Para la misma se desarrolló y patentó un procedimiento para la obtención de filamentos con una alta carga de cerámico o metal (50-90%w). Con los mismos se pueden imprimir piezas que tras un tratamiento térmico de debinding y sinterizado son completamente cerámicas o metálicas. Por ello, dichos filamentos amplían el rango de materiales disponibles para esta tecnología, ya que en el inicio de este trabajo de investigación, los ejemplos existentes eran muy limitados, tratándose fundamentalmente de arcillas. Con respecto a las técnicas de fotopolimerización y proyección de aglomerante/material, los esfuerzos se centraron en la construcción de equipos de bajo coste, ya que no existen en el mercado máquinas con las que se puedan investigar nuevas resinas y tintas cerámicas a un precio asequible. Por ello, se afrontó el propio diseño, montaje y optimización de una máquina de impresión 3D inkjet y otra de fotopolimerización. La impresora inkjet desarrollada, que lleva por nombre 3DP Blue One, puede trabajar tanto con impresión directa de tinta o direct inkjet printing (DIP), como con impresión indirecta de tinta o indirect inkjet printing (IIP). Las pruebas realizadas con la misma tanto con tintas orgánicas como con tintas con carga cerámica han servido para validar el funcionamiento del equipo y presentar futuras líneas de investigación. Por último, se diseñó, construyó y optimizó un equipo de impresión 3D por fotopolimerización que emplea la técnica de procesamiento de luz digital (DLP), y que se denominó Ceraresin DLP. El mismo alcanza una resolución de hasta 37µm en el plano XY empleado el proyector Acer H6510BD, y permite realizar capas de tan sólo 10µm de espesor. Dicha máquina se utilizó para el desarrollo y prueba de diferentes resinas cerámicas (Al2O3, 3-YSZ y 8-YSZ), pudiéndose imprimir piezas que tras un proceso de debinding y sinterizado mantenían la morfología inicial sin que se produjeran colapsos en estructura/microestructura.