Deseño e estudo reolóxico de materiais cerámicos para impresión 3D

Abstract

[Resumo]: Actualmente, a impresión en 3 dimensións (3D) é unha tecnoloxía moi útil para producir novas formas e estruturas, cun amplo rango de aplicacións, tales como produción industrial, biomedicina, enxeñaría e incluso arte. A importancia de poder imprimir diferentes materiais está motivando a investigación e desenrolo de diferentes métodos e tipos de tintas de impresión. No presente Traballo de Fin de Máster descríbese o estudo realizado para o deseño de materiais cerámicos e o seu estudo reolóxico de cara a analizar a súa viabilidade en impresión 3D. O obxecto de estudo deste TFM foron un par de arxilas porcelánicas comerciais, que foron caracterizadas mediante Difracción de Raios X (XRD) de po, Análise Termogravimétrica (TGA), Espectroscopía Infravermella (IR) e Microscopía Electrónica de Varrido (SEM) e de Transmisión (TEM). Deseñouse un estudo reolóxico das suspensións de porcelana en auga que permitise coñecer as propiedades físicas máis implicadas no proceso de impresión 3D (viscosidade aparente, módulo elástico, módulo viscoso e a súa variación coa velocidade de cizalla e co tempo) e levouse a cabo dito estudo reolóxico en diferentes mesturas porcelánicas, variando factores como a proporción de auga e o tempo de repouso. De cara a mellorar a viabilidade das porcelanas para a impresión 3D, modificáronse as propiedades do fluído soporte, mesturando a auga con diferentes compostos: silicato sódico, un coñecido axente tixotrópico (fluidificante), nanotubos de carbono e etanol. Os resultados do estudo realizado sobre a porcelana e os axentes que se lle introduciron foron testados nunha impresora 3D con sistema de extrusión, corroborando o efecto positivo do silicato sódico na mestura e o efecto óptimo do etanol, que resultou ser o previsiblemente máis axeitado.

[Resumen]: Actualmente, la impresión en 3 dimensiones (3D) es una tecnología muy útil para producir nuevas formas y estructuras, con un amplio rango de aplicaciones, tales como producción industrial, biomedicina, ingeniería e incluso arte. La importancia de poder imprimir diferentes materiales está motivando la investigación y desarrollo de diferentes métodos y tipos de tintas de impresión. En el presente Trabajo de Fin de Máster se describe el estudio realizado para el diseño de materiales cerámicos y su estudio reológico de cara a analizar su viabilidad en impresión 3D. El objeto de estudio de este TFM fueron un par de arcillas porcelánicas comerciales, que fueron caracterizadas mediante Difracción de Rayos X (XRD) de polvo, Analísis Termogravimétrico (TGA), Espectroscopía Infrarroja (IR) y Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y de Transmisión (TEM). Se diseñó un estudio reológico de las suspensiones de porcelana en agua que permitiese conocer las propiedades físicas más implicadas en el proceso de impresión 3D (viscosidad aparente, módulo elástico, módulo viscoso y su variación con la velocidad de cizalla y con el tiempo) y se llevó a cabo dicho estudio reológico en diferentes mezclas porcelánicas, variando factores como la proporción de agua y el tiempo de reposo. De cara a mejorar la viabilidad de las porcelanas para la impresión 3D, se modificaron las propiedades del fluido soporte, mezclando el agua con diferentes compuestos: silicato sódico, un conocido agente tixotrópico (fluidificante), nanotubos de carbono y etanol. Los resultados del estudio realizado sobre la porcelana y los agentes que le introdujeron fueron testados en una impresora 3D con sistema de extrusión, corroborando el efecto positivo del silicato sódico en la mezcla y el efecto óptimo del etanol, que resultó ser el previsiblemente más adecuado.

[Abstract]: Nowadays, 3D printing is a very useful system to produce new forms and structures, which is used with broad applications, such as industrial manufacture, biomedicine, engineering and even art. The importance of being able to print different materials is motivating the investigation and development of diverse composites and multicomponent inks. In this Master’s Final Project we describe the study realized to design ceramic materials and its rheological study to analyze its viability in 3D printing. The subject of study of this MFP were two commercial porcelanic clays, which were characterized by powder X Ray Diffraction (XRD), Thermogravimetric Analysis (TGA), Infrared Spectroscopy (IR), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM). We designed a rheological study of porcelain suspensions in water which let us know the physical properties more implicated in the 3D printing process (apparent viscosity, elastic modulus, viscous modulus and its variation with the shear rate and the time) and we applied this rheological study in different porcelanic mixtures, varying factors like the water proportion and the ageing time of the mixtures. The properties of the porcelain suspensions were modified in order to improve its performance at 3D printing by mixing the water with different additives: sodium silicate, a known thixotropic (fluidizing) agent, carbon nanotubes and ethanol. The results of the study we applied to the porcelain and the introduced additives were tested in a 3D printer with extrusion system, corroborating the positive effect of the sodium silicate in the mixture and the optimal effect of the ethanol, which was the predictably more suitable.