Additive Manufacturing of Ceramics. Printing Beyond the Binder

Questo progetto di ricerca riguarda la produzione di ceramici tramite tecniche di manifattura additiva (AM), con particolare focus su tecnologie estrusive. Il principale vantaggio dell’AM è la possibilità di produrre strutture cellulari ad elevata complessità e porosità controllata, consentendo di produrre reticoli stretch-dominated leggeri ma efficienti. L’ispirazione è offerta dalla natura: le strutture ossee sono un ottimo esempio, in quanto si compongono di un involucro esterno, denso e sottile, e di un cuore a struttura cellulare altamente porosa. I sistemi di AM disponibili in commercio per la produzione di componenti ceramici sono molto pochi, e la maggior parte di essi utilizza polveri ceramiche. È molto difficile evitare porosità residua e cricche, e di conseguenza si ottengono oggetti dalla resistenza limitata e privi delle peculiarità di alcuni materiali, come ad esempio la trasparenza del vetro. Le tecnologie di AM che utilizzano polimeri sono ad uno stadio di sviluppo molto più avanzato. L’obiettivo è di sfruttare tale vantaggio e di fornire alternative agli approcci polvere-legante. Sono stati esplorati tre diversi materiali: polimeri preceramici, geopolimeri, e vetro. Un unico polimero preceramico, un polisilsesquiossano commerciale, è stato utilizzato come legante reattivo, non sacrificale per lo sviluppo di inchiostri per stereolitografia (SL) e direct ink writing (DIW). La prima tecnologia ha consentito di produrre micro-componenti in SiOC densi e privi di cricche, con una dimensione dei pilastri fino a ~200 μm e ottima qualità superficiale. Non ci sono state limitazioni di forma, anche se strutture porose o oggetti densi di piccole dimensioni sono da preferire per evitare porosità residua e cricche. Il secondo approccio ha portato alla fabbricazione di scaffold bioceramici per ingegneria tissutale con filamenti di diametro 350 µm e parti non supportate. Il polimero preceramico ha il doppio ruolo di fonte di silice e di modificatore reologico. Sono stati prodotti anche compositi a matrice ceramica (CMCs); il polimero preceramico sviluppa la matrice (SiOC) tramite pirolisi in atmosfera inerte, mentre il rinforzo è dato da fibre di carbonio macinate. Componenti in geopolimero a porosità controllata sono stati progettati e prodotti prima tramite replica negativa di template sacrificali in PLA, e poi via DIW. Il secondo approccio ha portato alla produzione di reticoli ceramici con filamenti di ~800 μm e parti non supportate con deflessione molto limitata. È stato sviluppato infine un innovativo processo estrusivo a partire da vetro fuso. Un unico sistema è in grado di lavorare il vetro dallo stato fuso fino alla ricottura di componenti complessi progettati digitalmente. Sono stati realizzati oggetti comprendenti sporgenze di diversa entità e piccoli raggi di curvatura. All’interno dello spazio di progettazione è stato possibile stampare con elevata precisione e accuratezza; le parti stampate mostrano una forte adesione tra gli strati e un’elevata trasparenza attraverso di essi.