Additive manufacturing of porous ceramic structures

In questa tesi di dottorato sono descritte tecnologie di manifattura additiva per la realizzazione di strutture porose a partire da miscele preceramiche. I polimeri preceramici sono una classe di polimeri inorganici che possono essere convertiti in un materiale ceramico con una resa elevata. L’utilizzo di polimeri preceramici è stato studiato con il duplice obiettivo di fornire le fasi ceramiche desiderate e di facilitare i processi di formatura. La descrizione è suddivisa in tre parti. In un progetto iniziale, una tecnologia di stampa 3D a polveri è stata applicata ad una polvere di polimero preceramico. Strutture porose di geometria complessa, quali Kagome od ottaedrica, sono state replicate. Il polimero preceramico è stato successivamente convertito in una speciale fase ceramica SiOC tramite trattamento in atmosfera inerte. Questo approccio, in confronto all’utilizzo di una polvere ceramica, permette di semplificare il processo nonché di ottenere una densità del verde relativamente elevata, grazie alla dissoluzione e solidificazione del polimero. Inoltre, la scelta di strutture porose è particolarmente adatta a questo materiale, in quanto i problemi relativi allo sviluppo di gas, che questo materiale rilascia durante il trattamento, vengono limitati. In un secondo progetto, la stessa tecnologia a polveri è stata applicate a miscele di un polimero preceramico e filler. In questo caso, il ruolo del polimero preceramico è quello di un legante per i filler durante il processo di stampa. Tramite trattamento termico, il polimero viene convertito in silice, che può successivamente reagire con i filler per formare fasi silicatiche. Questo approccio è molto versatile ed è stato utilizzato per formare compositi bioceramici apatite-wollastonite, i quali sono stati replicati in varie forme di scaffolds porosi, con geometria cubica o cilindrica. Infine, una tecnologia di stampa ad estrusione di finalmento è stata utilizzata. Contrariamente alle tecnologie a polveri, in questo caso la parte da costruire non è supportata da altro materiale, pertanto uno studio della reologie delle paste ceramiche è essenziale per creare strutture non supportate tra due appoggi. In questo contesto, diverse miscele di un polimero preceramico e filler sono state fomulate in modo da ottenere un comportamento pseupoplastico, grazie all’aggiunta di additivi adatti allo scopo. Una fase di hardystonite, che è un bio-silicato, viene formata tramite trattamento termico in aria. Scaffold di hardystonite con pori ortogonali sono stati creati tramite la deposizione di filamenti sottili (diametro < 0.5 mm).