Introducción a la impresión 3D de cerámica

El espacio moderno de impresión 3D está muy lejos de los días de los prototipos de plástico. Los usuarios de hoy pueden elegir los materiales, desde polímeros rígidos y flexibles hasta compuestos de alto rendimiento. Uno de esos materiales que está encontrando más usos en todas las industrias es la cerámica . Tocamos ligeramente la impresión 3D de cerámica cuando analizamos la impresión 3D DLP en metal, pero profundicemos más.

Cerámica de impresión 3D

Entonces, ¿qué es la cerámica? Es un término bastante amplio que incluye todo entre loza y alúmina. Los orígenes de la cerámica se remontan a Grecia, donde horneaban arcilla a altas temperaturas para hacerla rígida. Técnicamente hablando, la cerámica es un material sólido que comprende un compuesto inorgánico de enlaces metálicos, no metálicos o iónicos y covalentes. El carbono y el silicio pueden considerarse cerámicas desde esa perspectiva, y eso es importante tenerlo en cuenta porque los nombres de muchas de las cerámicas imprimibles en 3D suenan más a metales, ya que no se derivan de la arcilla. Hoy en día, las cerámicas se dividen en dos categorías: cerámicas clásicas que se componen únicamente de materias primas naturales (arcilla) y cerámicas técnicas que incluyen otros materiales como silicio, carbono y nitrógeno.

Las cerámicas clásicas incluyen gres, loza y porcelana. Las cerámicas técnicas también se conocen como cerámicas de ingeniería y cerámicas industriales, y su lista sería mucho más larga porque se crean más regularmente como soluciones personalizadas para aplicaciones específicas. Algunas cerámicas técnicas populares son el nitruro de aluminio, zirconia, nitruro de silicio, carburo de silicio y alúmina. La cerámica técnica ha mejorado dramáticamente las propiedades mecánicas, térmicas, químicas y eléctricas en comparación con la cerámica clásica. La mayoría de las cerámicas impresas en 3D entran en la categoría técnica, pero el proceso de impresión basado en extrusión (que se analiza a continuación) funciona principalmente con cerámicas clásicas.

¿Por qué imprimir con cerámica?

• Estético
• Tactilidad
• Resistencia química
• Biocompatible
• Conductividad térmica alta o baja, según la formulación
• Aislante eléctrico
• Muy duro
• Relación de alta resistencia a peso

Industrias

Esa es una lista bastante atractiva de propiedades físicas y mecánicas. Tiene sentido que la cerámica se use en muchas industrias, y las versiones impresas en 3D están reemplazando rápidamente las piezas de cerámica tradicionales. Lo primero que me viene a la mente cuando se piensa en cerámica suele ser la cerámica y los utensilios de cocina, y sí, algunos artistas están imprimiendo en 3D jarrones, cuencos y esculturas de cerámica. La cerámica tiene un aspecto y un tacto agradables y se puede hornear para alterar ambos rasgos. Sin embargo, esa es solo la punta del iceberg. Estas son algunas de las industrias que dependen de la cerámica:

• Aeroespacial : la estabilidad dimensional y la baja densidad de la cerámica la hacen ideal para enviar al espacio en cohetes y satélites en forma de cojinetes, sellos y escudos térmicos; Las partes experimentan cambios extremos de temperatura en el espacio dependiendo de su posición relativa al Sol, por lo que es importante que los materiales no se encojan ni se expandan en esos cambios de temperatura y, por supuesto, el costo de enviar algo al espacio está directamente relacionado con la masa (peso). por eso la ligereza es siempre una prioridad.
• Aviación : esas mismas propiedades son igualmente útiles, si no más, en la atmósfera de la Tierra, donde hay mucha más turbulencia y fricción (del aire) con las que lidiar; La cerámica es altamente resistente a la abrasión y al calor, por lo que se puede encontrar en varios componentes de aeronaves, incluidos blindajes, aislamiento eléctrico y boquillas de combustible. Hay una buena razón por la que el transbordador espacial de la NASA estaba cubierto con placas de cerámica (era para evitar que se quemara al volver a entrar).
• Automotriz : la dureza y la dureza de la cerámica son especialmente útiles en el espacio de fabricación de automóviles porque, seamos sinceros, somos un poco duros con nuestros automóviles. Cambios de temperatura, vibración, humedad, diversos productos químicos y aceites; nuestros vehículos tienen que lidiar con todo. Desde bujías y frenos hasta sensores y filtros, hay innumerables piezas en cualquier automóvil que tienen cerámica.
• Médico : el hecho de que la cerámica sea liviana, duradera y biocompatible la convierte en un excelente material para las industrias médica y quirúrgica, donde se utiliza para implantes, herramientas y guías quirúrgicas y equipos de diagnóstico.
• Energía : los sistemas de generación y distribución de energía son muy exigentes y críticos, y la cerámica contribuye a la confiabilidad de estos sistemas. Su resistencia al desgaste, aislamiento eléctrico y propiedades mecánicas rígidas le permiten sobrevivir a los entornos hostiles de las centrales eléctricas.
• Productos químicos y farmacéuticos : la síntesis de productos químicos y fármacos requiere procesos que implican cambios rápidos de temperatura, presión y corrosión. Las cerámicas personalizadas se pueden diseñar para durar más que la mayoría de los metales en las máquinas especializadas que se utilizan en la industria.
• Ingeniería eléctrica : muchos componentes eléctricos tienen que operar en entornos hostiles, como los sensores en motores y hornos, así como las cámaras de vacío de los aceleradores de partículas; todos estos son casos en los que la cerámica brilla.

Esta es solo una lista parcial, ya que otras aplicaciones de la cerámica incluyen la óptica, la metalurgia y los textiles. El punto es: la cerámica está a nuestro alrededor y hace mucho. Eso significa que el mercado potencial de la cerámica impresa en 3D es bastante grande.

Tipos de impresión 3D de cerámica

Hay cinco procesos principales para la impresión 3D de cerámica:

1. Extrusión : se empuja una pasta o lechada de arcilla a través de una boquilla y las piezas se acumulan capa por capa como en una impresora 3D de escritorio; la resolución es más baja en esta tecnología, pero también escala hasta los volúmenes de construcción más grandes.
2. Chorro de aglutinante: se aplica selectivamente un agente aglutinante a un lecho de polvo cerámico, una capa a la vez; las piezas finales deben pasar por un proceso de desaglomeración.
3. Sinterización de polvo : un láser de alta potencia sinteriza las secciones transversales de cada capa sobre un lecho de polvo cerámico.
4. Inyección de nanopartículas : las suspensiones líquidas que contienen nanopartículas de cerámica sólida se depositan con inyectores de tinta capa por capa.
5. Fotopolimerización (DLP) : la resina que está llena de partículas de cerámica se utiliza en una impresora DLP que cura cada capa en un sólido con luz ultravioleta; las piezas finales deben pasar por un proceso de desaglomeración.

Todos los procesos requieren la cocción para endurecer completamente y algunos de los sistemas requieren un paso de sinterización adicional antes de la cocción. Luego se pueden glasear para que sean aptas para alimentos, congelador, horno y lavavajillas. Si bien la tecnología basada en extrusión produce resultados bastante aproximados, el nivel de detalle que se puede lograr con los otros procesos de impresión es increíblemente alto. La impresión 3D permite geometrías cerámicas que no se podrían fabricar mediante técnicas tradicionales de moldeo por inyección, por lo que no es de extrañar que las empresas estén adoptando tecnologías AM para optimizar sus piezas cerámicas. El tiempo de respuesta en las piezas de cerámica impresas también es mucho más corto, lo que generalmente resulta atractivo para los gerentes de producción. La misma red de posprocesadores que maneja la sinterización de muchos objetos metálicos impresos en 3D también podrá manejar la sinterización de cerámica, así que espere ver mucha más impresión 3D de cerámica.

Imagen destacada cortesía de City University of Hong Kong.