Processo de impressão 3D de materiais cerâmicos por deposição de barbotina com resina de cura por luz ultravioleta: revisão bibliográfica

Abstract

O trabalho concentra-se em uma revisão bibliográfica sobre os processos de impressão 3D de cerâmicas, as técnicas de fotopolimerização, o comportamento reológico, os desafios na obtenção de peças porosas, peças densas e sem defeitos, e as estratégias para otimização das propriedades mecânicas e geométricas das peças produzidas. Além disso, traz estudos que investigam diferentes combinações de partículas cerâmicas para reduzir a contração e melhorar a densidade, bem como métodos de cura mais controlados para evitar defeitos estruturais. Também apresenta uma tentativa de desenvolvimento de uma impressora de baixo custo para impressão de cerâmicas por deposição de barbotinas, embora o projeto tenha avançado apenas até a construção da estrutura da impressora. Este trabalho é uma revisão bibliográfica sobre os processos de impressão 3D de cerâmicas, as técnicas de fotopolimerização, o comportamento reológico, os desafios na obtenção de peças porosas, peças densas e sem defeitos, as estratégias para otimização das propriedades mecânicas e geométricas das peças produzidas. Além disso, traz estudos que investigam diferentes combinações de partículas cerâmicas para reduzir a contração e melhorar a densidade, bem como métodos de cura mais controlados para evitar defeitos estruturais. A impressão 3D de materiais cerâmicos é uma alternativa promissora aos processos convencionais, permitindo a fabricação de peças com geometrias complexas e personalizadas. Por mais que o objetivo do trabalho seja estudar formas de obter peças porosas para a produção de scaffolds, as informações que as pesquisas em busca de peças densas nos trazem podem ser muito vantajosas no compreendimento do processo. Na literatura, há muitos estudos sobre a fabricação de peças cerâmicas totalmente densas e sem defeitos devido à presença de poros e rachaduras, com propriedades comparáveis às dos materiais processados por tecnologias convencionais. Isso requer o controle de várias etapas do processo: desde a preparação da suspensão até a otimização dos parâmetros de impressão e o ajuste de ciclos térmicos adequados de eliminação de ligantes e sinterização. (Coppola et al, 2022; Chaudhary et al, 2022; Wu et al, 2016) A interação de uma fonte de luz UV, como um feixe de laser, com o sistema curável contendo partículas cerâmicas submicrométricas e micrométricas leva ao fenômeno de dispersão, que interrompe o processo de polimerização e é o principal fator de impacto na cura do material (Tarabeux, 2018; Yu et al, 2022; Chaudhary et al, 2022). Em contrapartida, as propriedades mecânicas e funcionais das cerâmicas fabricadas por esse método acabam não sendo as ideais devido ao conteúdo limitado de sólidos dos pós cerâmicos. Em processamento coloidal, um baixo conteúdo de sólidos geralmente resulta em uma baixa densidade das cerâmicas produzidas. Portanto, a sinterabilidade e a formabilidade das cerâmicas preparadas por cura UV estão inversamente correlacionadas. (Wu et al, 2016) A impressão 3D com resinas de cura UV apresenta enorme potencial como uma alternativa viável e eficiente para a fabricação de cerâmicas em diversas aplicações comerciais e científicas. No final do trabalho, é apresentada uma tentativa de desenvolvimento de uma impressora de baixo custo para impressão de cerâmicas por deposição de barbotinas, embora o projeto tenha avançado apenas até a construção da estrutura da impressora.

The document focuses on a literature review of ceramic 3D printing processes, photopolymerization techniques, rheological behaviour, the challenges of obtaining porous, dense and defect-free parts, and strategies for optimizing the mechanical and geometric properties of the parts produced. It also includes studies investigating different combinations of ceramic particles to reduce shrinkage and improve density, as well as more controlled curing methods to avoid structural defects. It also presents an attempt to develop a low-cost printer for printing ceramics by barbotine deposition, although the project has only progressed as far as the construction of the printer structure. This work is a bibliographical review of ceramic 3D printing processes, photopolymerization techniques, rheological behaviour, the challenges of obtaining porous, dense and defect-free parts, and strategies for optimizing the mechanical and geometric properties of the parts produced. It also includes studies investigating different combinations of ceramic particles to reduce shrinkage and improve density, as well as more controlled curing methods to avoid structural defects. 3D printing of ceramic materials is a promising alternative to conventional processes, allowing the manufacture of parts with complex and customized geometries. Although the aim of this work is to study ways of obtaining porous parts for the production of scaffolds, the information provided by research into dense parts can be very useful in understanding the process. In the literature, there are many studies on the manufacture of totally dense ceramic parts without defects due to the presence of pores and cracks, with properties comparable to those of materials processed by conventional technologies. This requires the control of various stages of the process: from the preparation of the suspension to the optimization of the printing parameters and the adjustment of suitable thermal cycles of binder elimination and sintering (Coppola et al, 2022; Chaudhary et al, 2022; Wu et al, 2016). The interaction of a UV light source, such as a laser beam, with the curable system containing submicrometric and micrometric ceramic particles leads to the phenomenon of dispersion, which interrupts the polymerization process and is the main factor impacting the curing of the material (Tarabeux, 2018; Yu et al, 2022; Chaudhary et al, 2022). On the other hand, the mechanical and functional properties of ceramics manufactured by this method are not ideal due to the limited solids content of the ceramic powders. In colloidal processing, a low solids content generally results in a low density of the ceramics produced. Therefore, the sinterability and formability of ceramics prepared by UV curing are inversely correlated. (Wu et al, 2016) 3D printing with UV curing resins has enormous potential as a viable and efficient alternative for manufacturing ceramics in various commercial and scientific applications. At the end of the paper, an attempt is made to develop a low-cost printer for printing ceramics by barbotine deposition, although the project has only progressed as far as the construction of the printer structure.