Integration of sensors on 3D-printed zirconia ceramics to be used in structural applications

Abstract

(English) Zirconia-based ceramics present unique combination of mechanical, thermal and chemical properties, making them a preferred choice in automotive, aerospace, heavy machinery, defence and healthcare sectors. However, manufacturing zirconia-based ceramic components still have significant production limitations when they involve complex shapes, micro-features or specific assemblages. Nowadays, 3D printing technologies enable adding up complex three­ dimensional structures with unique capabilities for increasing shape complexity and reducing waste material. Among the 3D printing techniques, direct ink writing (DIW) is often considered to yield fine and dense ceramic structures with geometrically complex morphology and high strength. In essence, a sensor is an object that detects events or changes in the environment and sends the corresponding real­ world data to an electronic device (e.g. a computer). Applications of sensors have been continuously increasing in many fields, such as manufacturing and machinery, aerospace and aeronautics, medicine and biomedical devices, and robotics, mainly due to the strong development of micro-machinery and advances in micro-controller platforms. In recent years, special attention has been paid to the use of 3D printing technology for the manufacturing of sensors. Through the 3D printing process, it is possible to embed a sensor into printed structures or intrinsically print the entire sensor. Considering different modern manufacturing processes, screen printing has proved its possibility with great potential for the fabrication of sensors and electronic components by printing conductive inks onto various rigid or flexible substrates. Screen printing is a simple, cost-effective and fast method. The assembly of advanced zirconia material with functions of sensing, actuation and controlling to solve the problems that may arise during its use is critical to ensure long-term service and performance. With advanced printing technologies, it is possible to print sensors on zirconia substrates, with the ability to sense surface displacement, temperature or pH. Within the above framework, the main goal of this thesis is to go one step forward and not only achieve 3D-printed dense zirconia parts with good structural integrity, but also monitor the potential initiation and propagation of defects in printed zirconia samples by introducing sensors capable of detecting them. The research effort focuses on three aspects: preparation of yttria-based zirconia (8Y-ZrO2) via direct ink writing, formulation of conductive inks for screen printing, and integration of sensors on 3D-printed zirconia substrates.

(Español) Los materiales cerámicos base circona presentan una combinación única de propiedades mecánicas, térmicas y químicas que los convierte en materiales idóneos para muchas aplicaciones. Sin embargo, la fabricación de componentes base circona todavía tiene importantes limitaciones de producción, sobre todo por lo que refiere a la obtención de estructuras complejas. Hoy en día, las tecnologías de impresión 3D ofrecen la posibilidad de lograr este tipo de estructuras mediante la adición capa a capa de material. Entre las técnicas de impresión 3D, la escritura directa con tinta (DIW) se considera a menudo para producir estructuras cerámicas finas y densas, con una morfología geométricamente compleja y con alta resistencia. En esencia, un sensor es un dispositivo que detecta estímulos o cambios en el entorno, transformando dicha información en una señal eléctrica que puede ser interpretada por un equipo electrónico (por ejemplo, un ordenador). La aplicación de sensores ha ido aumentando progresivamente en diversos sectores industriales, como son los relacionados con la fabricación y maquinaria aeroespacial y aeronáutica, los dispositivos médicos y biomédicos, y la robótica, principalmente debido al fuerte desarrollo de la micro maquinaria y los avances en las plataformas de microcontroladores. En los últimos años, se ha prestado una atención especial al uso de la tecnología de impresión 3D para la fabricación de sensores, dado que es posible insertarlos en estructuras impresas o imprimirlos intrínsecamente. Teniendo en cuenta los diferentes procesos de fabricación modernos, la impresión serigráfica ha demostrado su posibilidad con gran potencial para la fabricación de sensores y componentes electrónicos mediante el uso de tintas conductoras sobre diversos soportes rígidos o flexibles. La impresión serigráfica es un método sencillo, económico y rápido. La fabricación avanzada de materiales de circona con funciones de detección, actuación y control para resolver los problemas que puedan surgir durante su uso es fundamental para garantizar su funcionalidad y rendimiento a largo plazo. Con tecnologías de impresión avanzadas, es posible imprimir tintas conductoras en sustratos de circona, con la capacidad de detectar el desplazamiento de la superficie, temperatura o pH. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis es dar un paso adelante y no sólo lograr la impresión 3D de muestras densas de circona con una buena integridad mecánica, sino también monitorear la emergencia y propagación de defectos en muestras impresas base circona mediante la introducción de sensores capaces de detectarlo. El esfuerzo de la investigación se centra en tres aspectos: preparación de materiales de circona con itria (8Y-ZIO2) a través de escritura directa de tinta, formulación de tintas conductoras para impresión serigráfica, e integración de sensores en circona a base de tinta 3D.