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Análisis térmico de la cerámica de impresión 3D
Cerámica se utilizan en muchos ámbitos de la industria.
Por regla general, las cerámicas se forman primero como cuerpos verdes a partir de masa bruta, antes de que este «cuerpo verde» sea tratado y cocido de un modo especial (la llamada sinterización) para endurecerlo y darle su forma final.
Dependiendo de la industria, puede tratarse de vajillas sencillas, artículos de decoración o sanitarios, pero también de cerámica técnica, como prótesis, o de diversos componentes técnicos.
Una pieza de cerámica suele cocerse en un horno tras un tratamiento mecánico inicial.
Se expone a temperaturas de entre 900 °C y 1400 °C.
Esto se hace calentando en un intervalo de tiempo definido a una temperatura en constante aumento, pero también a intervalos isotérmicos definidos con precisión para controlar las reacciones químicas durante la cocción de la cerámica y controlar la desgasificación del vapor de agua, el dióxido de carbono y otros aditivos.
Tras la cocción inicial, a menudo se añade un vidriado a la cerámica y luego se vuelve a cocer la pieza para curarla completamente.
El proceso completo dura varias horas y, por tanto, requiere mucho tiempo.
Además, no puede garantizarse que la pieza salga intacta del horno tras la cocción; pueden producirse diversos errores (falta de material, proceso de cocción incorrecto, etc.), que pueden provocar roturas o grietas en la cerámica.
Una solución más moderna y sencilla para cocer una amplia variedad de componentes cerámicos es la fabricación aditiva.
En el caso de la cerámica, suele denominarse impresión 3D.
Se trata de un proceso de fabricación en el que se aplica material capa a capa para crear objetos tridimensionales.
La acumulación suele ser un diseño asistido por ordenador (CAD) y se utilizan uno o varios materiales líquidos o sólidos como material de partida, según las dimensiones y formas especificadas.
Durante la fabricación, se utilizan procesos de impresión, curado químico químicos o de fusión a menudo controlados mediante temperatura o láser.
Incluso es posible utilizar un escáner 3D para un modelo.
La ventaja del método sobre los procesos de cocción convencionales es clara: al aplicar la cerámica en capas, es posible producir filigranas y estructuras complejas para las que el riesgo de rotura durante el proceso de cocción sería especialmente alto.
Además, se consigue un enorme ahorro de tiempo, ya que una pieza sinterizada aditivamente o impresa en 3D puede fabricarse mucho más rápidamente debido a que no es necesario el proceso de cocción en el horno.
Comparada con todos los procesos de arranque de material, como el corte, el torneado y el taladrado, la impresión 3D tiene la ventaja de eliminar el paso adicional de mecanizado tras el molde original.
En la mayoría de los casos, el proceso también es más eficiente desde el punto de vista energético, sobre todo si el material sólo tiene que fabricarse una vez en el tamaño y la masa requeridos.
También es ventajoso que se puedan procesar distintos materiales en una sola máquina.
Originalmente, el proceso de impresión 3D se aplicó y desarrolló por primera vez en la industria de los polímerosya que los plásticos son fáciles de fundir y manipular y no requieren sinterización ni curado.
Calentando justo por encima del punto de reblandecimiento y enfriando rápidamente el filamento impreso, se podían crear estructuras en tiempo real.
Sin embargo, el proceso ha evolucionado rápidamente para imprimir no sólo diversos polímeros, sino ahora también metales y cerámica, haciendo de la impresión 3D una opción versátil para la fabricación.
Los materiales típicos que se utilizan actualmente para la impresión 3D son plásticos, cerámicas, metales o compuestos de carbono como el grafito. Las técnicas más importantes son la fusión por rayo láser y la fusión por rayo de electrones para metales, la sinterización por láser para polímeros, cerámicas y metales, la estereolitografía y el procesamiento digital de la luz para resinas líquidas, y el modelado por chorro de polietileno y el modelado por capas fundidas para plásticos y resinas.
Los procesos de fabricación de la fabricación aditiva pueden dividirse en siete categorías principales y ahora también se describen detalladamente en algunas normas (DIN EN ISO/ASTM 52900, antes ASTM F2792):
- Salida de la carpeta
- Producción de material
- Fusión del lecho de polvo
- Extrusión de material
- Fotopolimerización en cuba
- Deposición de energía dirigida
- Laminado de hojas
La principal diferencia entre ellas es cómo se aplican las capas para crear las piezas y qué materiales se utilizan.
Los factores más importantes a la hora de elegir la máquina y el proceso de impresión 3D son la velocidad (en función del tamaño del objeto) y el coste (del material y de la máquina).
Materiales en general: metal, cerámica, plástico.
El principal campo de aplicación de la tecnología de fabricación aditiva sigue siendo la investigación y, sobre todo, el desarrollo de productos o la construcción de prototipos en la industria.
Es ideal para la producción de modelos, prototipos, herramientas o productos específicos, ya que no se necesitan herramientas especiales y la conversión de dibujo a modelo puede realizarse muy rápidamente.
Otros ámbitos de aplicación son principalmente la tecnología médicadonde hay que fabricar prótesis e implantes especialmente adaptados (sobre todo también en odontología), a menudo personalizados individualmente.
Pero campos de aplicación más inusuales, como la escultura y el arte, también utilizan la fabricación aditiva para producir esculturas.
Mientras tanto, las impresoras 3D también pueden utilizarse en el ámbito privado, ya que los procesos y las impresoras han alcanzado ya la madurez de producción y están a disposición del público a un coste relativamente bajo.
En el ámbito doméstico, sobre todo los productos de plástico, como juguetes, piezas de recambio o pequeños soportes, pueden fabricarse fácilmente y sin grandes conocimientos previos.
Para la cerámica, se utilizan los siguientes métodos de impresión 3D:
- Procesos de fusión de lecho de polvo, como el sinterizado selectivo por láser (SLS). Este proceso puede utilizarse generalmente para imprimir polímeros, polvos cerámicos o metales. Consiste en fundir el polvo del material con un láser de alta energía para crear materiales completamente densos capa a capa. Se coloca una fina capa del polvo en una bandeja mediante una boquilla. A continuación, un láser comienza a sinterizar el polvo localmente, creando la primera capa. Una variante de esta técnica es la impresión 3D por inyección de tinta. En este caso, se imprime un aglutinante sobre una capa de polvo (yeso o resina) en la sección transversal de la pieza mediante un proceso similar a la inyección de tinta. Una ventaja de las técnicas de fusión de lecho de polvo es que el polvo sobrante sirve de soporte para el objeto impreso.
- El modelado por deposición fundida (FDM) o la fabricación por filamento fundido (FFF) procesan pequeñas porciones de la cerámica deseada.
- Para que esto funcione, se utiliza un aglutinante específico en el filamento, normalmente un plástico especial que mantiene unido el polvo cerámico.
A continuación, el filamento se calienta hasta tal punto que se licua y puede imprimirse, igual que un filamento de plástico convencional.
Los granos de cerámica tienen aquí un diámetro de unos 1-2 µm.
- Así, salen directamente de la boquilla al imprimir con el plástico y puedes imprimir directamente las capas deseadas.
- Sólo el plástico, que mantiene unido el polvo y lo transporta, se funde durante este proceso y sirve así de aglutinante. El resultado final es un molde impreso, pero sigue siendo esencialmente el polvo cerámico y no un cuerpo cerámico sólido.
- Éste no es todavía el producto final; es un compacto verde que primero hay que reelaborar.
- Por último, un proceso especial elimina parte del plástico. A esto le sigue el proceso de sinterización, en el que la pieza se expone a altas temperaturas y sustancias químicas en un horno especial.
- Durante este proceso, las piezas cerámicas se combinan y el plástico se elimina por completo. Así pues, la FDM es, en última instancia, muy similar al proceso original de cocción de la cerámica, ya que sólo se ahorra un paso de cocción, pero sigue teniendo que realizar el segundo.
- Para que esto funcione, se utiliza un aglutinante específico en el filamento, normalmente un plástico especial que mantiene unido el polvo cerámico.
A continuación, el filamento se calienta hasta tal punto que se licua y puede imprimirse, igual que un filamento de plástico convencional.
Los granos de cerámica tienen aquí un diámetro de unos 1-2 µm.
Las condiciones adecuadas para el material que se va a utilizar en una impresora 3D dependen del comportamiento térmico, como la temperatura de fusión y cómo se expande el material bajo la temperatura o qué conductividad térmica presenta.
Por tanto, tiene sentido comprobar exhaustivamente las propiedades térmicas de los materiales utilizados para la impresión 3D.
Los siguientes dispositivos son relevantes para estas investigaciones:
- Clásico dilatometríad (DIL) puede utilizarse para investigar exhaustivamente la expansión lineal térmica y el comportamiento de sinterización de sólidos y polvos.
Esto significa que la dilatometría es ahora un procedimiento estándar en la producción cerámica. - Además, para simular y controlar la distribución y conducción de la temperatura en la pieza, son útiles diversos métodos para investigar la conductividad térmica.
Los métodos más comunes en este caso son las técnicas de flash, como el método del destello láser (LFA)en el que la temperatura y la conductividad térmica de sólidos o polvos suelen medirse mediante un destello de luz de alta energía.
También existen métodos de hilo caliente como el Puente caliente transitorio (THB)que pueden proporcionar valores fiables de transferencia de calor con relativa rapidez a temperatura ambiente.
El Comprobador de Materiales de Transferencia (TIM)una variación del placa caliente protegida también es adecuado para pastas y polvos, y puede medir principalmente diferentes densidades aparentes y los cambios resultantes en las propiedades de transporte térmico.
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Una vez fabricado un componente, es importante determinar los requisitos de propiedades térmicas y mecánicas del componente y desarrollarlos con un diseño adaptado específicamente al proceso.
Esto suele ser así independientemente del proceso de fabricación utilizado para fabricar el componente.
Sin embargo, en el caso de los componentes fabricados aditivamente, es especialmente necesario comprobar las propiedades mecánicas, ya que pueden ser diferentes de las de un objeto fundido o cocido debido a la estructura de las capas.
Especialmente en el caso de la cerámica, la pieza se contrae masivamente tras la sinterización o la deposición aditiva, y puede haber diversas fuentes de defectos que provoquen el fallo del material.
También en este caso se suele utilizar un dilatómetro, y en algunas circunstancias incluso análisis termomecánico (TMA)capaz de registrar con precisión las propiedades mecánicas del material mediante ensayos de flexión, tracción y compresión.
