3D printing of zirconia-based ceramic materials

Abstract

(English) Zirconia stands out among oxide ceramics for its superior mechanical properties. This approach resulted from the significant research that has been conducted since the discovery of the tbughening capabilities of zitconia in the mid-1970s. Moreover, zirconia (ZrO2) is a ceramic material with good mechani.cal characteristics for medical deyice production. In this regard, zirconia stabilized with Y2O3 demonstrates the most suitable mechanical properties for these applications. A crystallographic transformation inhibits crack propagation when stress is applied. Additive manufacturing (AM) has been recognized as a type ofproficient manufacturing technologyfor building ceramic prototypes with increased dimensional accuracy, improved time efficiency, and reduced costsince itwas developed in the early 1980s. lt is a technique that is often based on 3D model files (CAD models) and layer-by-layer manufacturing. Many AM technologies have been developed for manufacturing various materials, such as metals and polymers, but only a few ofthem are appropriate for manufacturing ceramic products. Robocasting also called "Direct lnk Writing" (DIW), is an AM technology suitable for ceramic materiaIs developed to produce complex cerartlic parts. The method relies on a paste's extrusion that demonstrates shear-thinning behavior. In recent years, a significant investigation has been conducted to understand the fundamentals ofthe successful formation of zirconia ceramic parts manufactured by AM techniques and optimize the parts' performance. Despite the achievements, numerous challenges remain unaddressed, including porosity and cracks. which hinder the utilization ofthe DIW technique for zirconia fabrication parts. This thesis aim s to produce zirconia printed samples by DIW with the highest structural integrity and no geometric distortions. A novel approach is presented to evaluate the effect of Y2O3 content on the rheological properties of the ceram ic inks, printability, and mechanical integrityofprinted samples. lt is important to highlight that this work has also focused on the DIW of translucent zirconia to achieve full-density 3D zirconia parts where scarce information is found in the literature. Translucentzirconia is the newest preference ofzirconia-based ceramics, which aims to replace the non-transparent Yttria-stabilized Tetragonal Zirconia Pol rystal (Y-TZP) in more demanding aesthetic cases. This work is mainly developed using par,tially stabilized zirconia powder with 3 mol% Yttria (TZ-3YSB) and high-translucent zirconia grades: Zpex, Zpex-4, Zpex-smile, and TZ-8Ywith 3, 4, 5, and 8 mol% Yttria, respectively. The ink formulation is obtained from the mixture ofceramic powderwith h rogel, Pluronic® F-127. In the first section of the results, the study performed to determine the rheology of the considered ceramic inks (shear modulus and viscoelastic behavior) is shown; in the second section, the work carried outto optimize the parameters ofthe printing process by DIW and post-processing is exposed in order to obtain a dense three-dimensional structure. Finally, in the third section, the results derived from the microstructure analysis ofthe printed samples are presented, as well as the evaluation of their mechanical response through hardness, nanoindentation, scratch resistance, com pression resistance, and indentation fracture toughness.

(Español) La circona destaca por encima de otros óxidos cerámicos por sus mejores propiedades mecánicas. Este enfoque es resultado de la importante investigación llevada a cabo desde mediados de la década del 1970 en el que se descubrió la capacidad de endurecimeineto de la circona. Además, la circona (ZrO2) es un material cerámico con características mecánicas apropiadas para la producción de dispositivos médicos. En este sentido, la circona estabilizada con itria (Y2O3) es la que demuestra poseer las propiedades mecánicas más adecuadas para estas aplicaciones. La transformación cristalográfica que presenta al aplicar esfuerzo inhibe la propagación de grietas. La fabricación aditiva (AM) es considerada, desde su desarrollo a principios de la década del 1980, como una tecnología de fabricación competente para la construcción de prototipos cerámicos con una mayor precisión dimensional, una mejor eficiencia del tiempo y un coste reducido. Es una técnica que se basa en modelos 3D (modelos CAD) y la fabricación capa por capa. La mayor parte de las tecnologías AM se han desarrollado para diversos tipos de materiales como metales y poilímeros, sin embargo tan solo algunas de ellas son apropiadas para la fabricación de productos cerámicos. El robocasting, también conocido como "Direct lnk Writing" (DIW) es una tecnología AM para materiales cerámicos que se ha desarrolló para producir piezas con gemometrías complejas. El método se basa en la extrusión de una tinta cerámica que presenta un comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento. En los últimos años, se han llevado a cabo numerosos estudios para comprender los fundamentos para la obtención y optimización de piezas cerámicas base circona fabricadas mediante técnicas AM. A pesar de los logros conseguidos hasta el momento, todavía quedan por abodar, entre otros, la presencia de porosidad y grietas en las muestras impresas que continúan limitando la utilización del DIW para la fabricación de componentes base circona. Esta tesis tiene como objetivo producir muestras impresas de zirconia por DIW con una buena integridad estructural y sin distorsiones geométricas. El estudio se realizará teniendo en consideración también la evaluación del efecto del contenido de Y2O3 en las propiedades reológicas de las tintas cerámicas, la capacidad de impresión y la integridad mecánica de las muestras impresas. Es importante resaltar que este trabajo también se ha centrado en el DIW de zirconia translúcida para lograr piezas de zirconia 3D de densidad completa de la que se encuentra escasa información en la literatura. La zirconia translúcida es la apuesta más reciente por lo que refiere a las cerámicas base circona con el fin de reemplazar la zirconia tetragonal estabilizada con itria (Y-TZP) en aquellas aplicaciones donde la estética juega un papel importante. Este trabajo se desarrolla principalmente utilizando polvo de circona parcialmente estabilizada con 3 mol% de itria (TZ-3YSB) y grados de circona altamente translúcida: Zpex, Zpex-4, Zpex-s mil e y TZ-8Y con 3, 4, 5 y 8% mol de itria, respectivamente. La formulación de la tinta se consigue a partir de la mezcla de polvo cerámico con hidrogel, Pluronic® F-127. En el primer apartado de los resultados, se muestra el estudio llevado a cabo para determinar las propiedades real ógicas de las tintas cerámicas consideradas (módulo de cizallamiento y comportamiento viscoelástico); en un segundo apartado, se expone el trabajo realizado para conseguir optimizar los parámetros del proceso de impresión por DIW y postprocesado con el fin de obtener una estructura tridimensional densa. Finalmente, en el tercer apartado, se presentan los resultados derivados del análisis de la microestructura de las muestras impresas así como, de la evaluación de su respuesta mecánica mediante ensayos de dureza, nanoindentación, resistencia al rayado, resistencia a la compresión yla tenacidad a la fractura por indentación.