HRL Laboratories sviluppa un nuovo metodo di frattura della stampa 3D

Dec 08, 2023

I ricercatori di HRL Laboratories, un centro di ricerca di proprietà di General Motors e Boeing, hanno sviluppato un nuovo metodo di stampa 3D di parti utilizzando compositi a matrice ceramica (CMC) resistenti alla frattura.

Il team HRL ha sviluppato una nuova resina preceramica a base di silossano, l'ha rinforzata con particelle inerti, quindi ha utilizzato un processo di riscaldamento estremo chiamato pirolisi per convertirla in ossicarburo di silicio (SiOC). Il materiale vetroso risultante presentava una maggiore durabilità e, secondo il gruppo di ricerca, potrebbe essere utilizzato in nuove aree sensibili all'energia come la propulsione, la generazione di energia e il trattamento chimico.

"La sfida che abbiamo affrontato in questo progetto è stata l'integrazione di questa soluzione di rafforzamento con il nostro processo di stampa 3D", ha affermato Mark O'Masta, ricercatore principale del progetto HRL. “Ora possiamo aggiungere questi rinforzi in frazioni di grandi volumi per rinforzare in modo significativo le nostre parti in ceramica stampate in 3D”.

"Abbiamo essenzialmente trasformato un fragile materiale monolitico in un composito durevole. Come ulteriore vantaggio, l'aggiunta di rinforzi ha allentato alcuni dei vincoli di lavorazione."

Ampliare le applicazioni della ceramica stampata in 3D

I componenti ceramici in genere possiedono un'eccellente resistenza alla corrosione e all'usura e le loro proprietà uniche prestano loro potenziali applicazioni in aree ad alta temperatura, ma modellarli si è rivelato problematico. L'utilizzo di ceramiche fragili per fabbricare parti complesse con geometrie strette può anche causare l'accumulo di pressioni sulle crepe e sui vuoti interni, il che a volte porta a guasti disastrosi.

“Tutte le parti in ceramica, sia lavorate tradizionalmente che stampate in 3D, presentano piccoli difetti, come piccoli vuoti, che si verificano durante la lavorazione, la manipolazione e la manutenzione”, ha spiegato O’Masta. "Il problema è che quando si applica tensione a quella regione, il difetto può trasformarsi in una crepa incontrollata, che si traduce in un guasto catastrofico dell'intera parte."

Le tecnologie di stampa 3D ceramica potrebbero essere ancora agli inizi, ma le tecniche comunemente utilizzate stanno già iniziando ad emergere per aggirare questo problema. È stata tentata una combinazione di approcci Direct Ink Writing (DIW) e Fused Deposition Modeling (FDM), ma più comunemente, la fotopolimerizzazione (SLA) viene utilizzata per polimerizzare la materia prima infusa con polimero.

In ciascuno di questi processi esistenti, la parte “verde” stampata viene sottoposta a un trattamento termico in due fasi che rimuove il polimero (debinding), prima che le particelle ceramiche vengano sinterizzate. Ora una recente ricerca ha prodotto un approccio alternativo, che prevede invece la stampa 3D utilizzando resine a base di silossano, prima di trasformarle in SiOC tramite pirolisi.

Questa tecnica emergente di fabbricazione della ceramica elimina le lunghe fasi di deceraggio e sinterizzazione, rendendola potenzialmente un’alternativa più rapida ai tradizionali processi di stampa ceramica. Affinché questo nuovo approccio basato sulla temperatura funzioni in modo efficace, è necessario sviluppare un materiale ceramico che affronti la bassa tenacità intrinseca del materiale e prevenga la scarsa fusione delle particelle.

Il nuovo approccio di HRL Labs alla stampa 3D della ceramica

Per aggirare la fragilità intrinseca della ceramica, il team HRL ha sviluppato un nuovo processo che richiedeva lo sviluppo di una CMC rinforzata con fibra ceramica. I ricercatori hanno formulato la loro nuova resina utilizzando una miscela di fotoiniziatori e un materiale di ossicarburo di silicio (SiOC), che conteneva particelle ceramiche inerti disperse.

Sfruttando una stampante industriale Prodways ProMaker L5000, i ricercatori hanno quindi fabbricato una serie di campioni da 1,25 (t) × 2,5 (h) × 15 (l) mm3 con l’obiettivo di valutare e ottimizzare la loro formula. Dopo una serie di test di caratterizzazione, il team ha identificato un alto livello di dispersione delle particelle, ma anche un comportamento curioso nella resistenza alla trazione delle parti rinforzate.

Come si è scoperto, i campioni più spessi erano più inclini alla rottura rispetto alle loro controparti più sottili e, attraverso questa scoperta, il team HRL ha identificato un "punto debole" nel livello di rinforzo che potevano ottenere. L'aggiunta di una quantità eccessiva di elemento di rinforzo supererebbe il suo "limite di riempimento" e indebolirebbe la parte, mentre non includendone abbastanza, potrebbe lasciare la ceramica vulnerabile alla frattura.