Desenvolupament de nous materials basats en alúmina per fabricació additiva mitjançant estereolitografia

Abstract

[cat] La estereolitografia (SLA) és la primera de les tecnologies de fabricació additiva desenvolupada. Aquesta consisteix en la fotopolimerització d’una resina líquida per capes mitjançant la irradiació selectiva de l’àrea que formarà part de l’objecte 3D. Diferents tecnologies basades en SLA s’empraran en aquesta tesi doctoral. S’utilitzaran en el present treball dos equips diferents; un, basat en un sistema de projecció Digital Light Processing (DLP), i un segon, que utilitza una font de LEDs UV i un sistema d’emmascarat per pantalla Liquid-Crystal Display (LCD). La SLA, tot i ser una tecnologia desenvolupada per la fabricació d’objectes a partir de polímers fotosensibles, s’utilitza també per l’obtenció de materials compostos i ceràmics. La metodologia és a nivell teòric senzilla; utilitzar una suspensió estable de partícules embegudes en una matriu polimèrica fotosensible. En el cas dels materials compostos, s’obté directament la peça final. Per peces ceràmiques, s’utilitzen suspensions molt més concentrades i la resina com aglomerant, que després s’eliminarà en tractaments tèrmics posteriors, obtenint així la peça ceràmica final. Tot i això, existeixen problemàtiques habituals associades a la tecnologia. La SLA requereix de suspensions molt fluides, que permetin un bon anivellament de la suspensió i el correcte flux d’aquesta. Per contra, el processat ceràmic necessita de suspensions amb concentracions molt elevades per assegurar una correcta densificació de la peça i evitar l’aparició de defectes. En aquest treball s’ha utilitzat la incorporació de PEG 200 com a diluent no reactiu per millorar l‘eliminació de la part orgànica. S’ha aconseguit una suspensió estable al 77,5 % d’alúmina en pes, imprimible per SLA-DLP i que pot ser tractada tèrmicament per l’obtenció de peces ceràmiques sense esquerdes amb velocitats d’escalfament més ràpides de les habituals. Pel que fa al desenvolupament de materials compostos, l’interès es genera a causa de les baixes propietats mecàniques que presenten les resines acríliques. Aquesta falta de propietats en limita un ús més generalitzat. L’objectiu d’aquesta tesi en aquet sentit és formular i caracteritzar diferents suspensions ceràmiques d’alúmina poc concentrades en partícules, per obtenir materials compostos amb propietats millorades respecte la resina base. Per tal de determinar l’efecte únicament de l’addició de partícules i no en el grau de curat, s’ha emprat un model matemàtic de fotopolimerització frontal per predir el temps d’exposició necessari per cada tinta. El model ha funcionat correctament pel sistema d’impressió per SLA-DLP, però no pel sistema SLA-LCD. Un dels punts clau ha estat la formulació de suspensions suficientment estables per utilitzar-se com a tintes per la impressió de compòsits. Per fer-ho, s'han estudiat diferents sistemes dispersants en funció de la resina base i el tipus de partícula emprada. S’han obtingut suspensions de diferents alúmines amb una concentració màxima del 15 % en pes de pols ceràmica, que presenten mòduls elàstic superiors a la resina base en el rang entre el 5 i el 10 % d’alúmina. Les millores són més notables en les provetes fabricades mitjançant l’equip SLA-DLP, passant de 220 MPa per la resina base a 600 MPa per les provetes reforçades amb un 10 % d’alúmina, que per les provetes fabricades amb l’equip SLA-LCD, que s’aconsegueix un augment de 750 MPa per la resina base fins 890 MPa de mòdul elàstic màxim per les provetes reforçades amb un 5 % d’alúmina. Addicionalment, s’han estudiat sistemes duals epòxid-acrílic com a resina base per la incorporació de partícules de reforç. Aquests sistemes presenten un curat tèrmic addicional a la fotopolimerització inicial, que en millora la rigidesa, augmentant el mòdul elàstic final. Les resines híbrides impreses arriben a mòduls elàstics de 2 GPa.

[eng] Stereolithography (SLA) consists of the photopolymerization of a liquid resin in layers through the selective irradiation of the area that will form part of the 3D object. Two technologies based on SLA are used in this thesis; SLA based on a Digital Light Processing (DLP) projection system, and a second, which uses a UV LED source and a Liquid-Crystal Display (LCD) masking system. Despite SLA has been developed for printing objects from photosensitive polymers, it is also used to obtain composite and ceramic materials. In the case of composite materials, the final piece is obtained directly. For ceramic materials, much more concentrated suspensions are required. The polymer acts as a binder, which will be removed during the debinding and sintering process, to obtain the final ceramic piece. However, there are some difficulties associated with this technology. The SLA requires very fluid suspensions, which allow a good levelling and correct flow of the suspension. On the contrary, ceramic processing needs suspensions with very high concentrations to ensure correct densification of the piece and avoid cracks. In this work, the incorporation of PEG 200 has been used as a non-reactive diluent to improve the removal of the organic part. A stable suspension of 77.5% alumina by weight has been achieved, printable by SLA-DLP and which can be thermally treated to obtain a ceramic piece with faster heating rates than usual. Regarding the development of composite materials, the great interest in this field is generated due to the low mechanical properties presented by acrylic resins. This lack of properties limits their widespread use. In this sense, the objective of this thesis is to formulate and characterize different alumina ceramic suspensions with little concentration in particles, to obtain composite materials with improved properties compared to the base resin. Suspensions of different alumina have been obtained with a maximum concentration of 15% by weight of ceramic powder, which have higher elastic moduli than base resin in the range between 5 and 10% alumina. Additionally, dual epoxy-acrylic systems have been studied as base resin for the incorporation of reinforcement particles.