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Impresión 3d con cerámica técnica

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Cuando se habla de cerámica, lo primero que viene a la mente es la cerámica tradicional, donde se fabrican vasijas de barro y arena, mezcladas con agua generalmente. También podríamos pensar en porcelana, que es un tipo de cerámica, usada como aislante eléctrico.

El campo de la cerámica se ha ampliado desde entonces con la creación de diferentes compuestos cerámicos para ser utilizados en aplicaciones tecnológicas mucho más complejas.

Estas cerámicas industriales modernas se pueden fabricar para que sean tan resistentes como el metal más duro, o se pueden convertir en superconductores, o en estructuras porosas para crear membranas y filtros.

Estos materiales se denominan cerámicas técnicas, avanzadas, industriales o de ingeniería.

Son cerámicas especiales que se utilizan para una amplia gama de aplicaciones especializadas en diferentes industrias. Desde automoción, aviación, aeroespacial, electrónica, energía hasta en el campo biomédico.

Cerámicas de óxidos y no óxidos

Dentro de esta clase de cerámicas distinguimos dos grupos principales: los óxidos y los no óxidos. Además podemos encontrar diferentes tipos de compuestos.

El primer grupo son los óxidos metálicos de alúmina, circona y sílice. El otro grupo, las cerámicas sin óxidos, está formado por materiales como el carburo de silicio, el boruro de silicio y el nitruro de silicio entre otros.

Lo que hace que estas cerámicas técnicas sean un grupo de materiales tan interesante son sus propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, biológicas y químicas superiores en comparación con la mayoría de metales y polímeros.

Estas propiedades son: alta resistencia, alta estabilidad dimensional (bajo coeficiente de expansión térmica), baja densidad, alta resistencia a la abrasión y corrosión y una estabilidad química excepcional, así como alta resistencia al calor.

Echemos un vistazo más de cerca a algunas de estas cerámicas, ya que cada material tiene sus propias características y ventajas particulares.

Óxidos

En este grupo, las fibras de óxido se agregan a la mezcla de cerámica para proporcionar resistencia y refuerzo adicionales y hacen además que el compuesto final sea inoxidable.

Alúmina

La alúmina (óxido de aluminio) es la cerámica técnica más utilizada, también es el material más rentable de esta clase. La alúmina tiene muchas propiedades excelentes, siendo las más destacadas su alta dureza (casi tres veces más dura que el acero inoxidable) así como su buena resistencia a la corrosión y los cambios de temperatura.

Los componentes hechos de alúmina son aislantes eléctricos y a prueba de pinchazos, por lo que son adecuados para una amplia gama de aplicaciones, como sustratos en la industria electrónica.

3d printing alumina
Alúmina para impresión 3D

Circona

La circona o circonita (dióxido de zirconio) es un compuesto con base de zirconio, un elemento metálico. Las principales características de la circona son: baja conductividad térmica con excelente aislamiento térmico y muy alta resistencia a la propagación de grietas.

Ofrecen un muy buen compromiso entre dureza y tenacidad, lo que las hace muy útiles para una amplia gama de aplicaciones. Las cerámicas de circona son menos frágiles que otras cerámicas. Se pueden utilizar para hacer cuchillos de cerámica, por ejemplo.

También encontrará circona en prótesis dentales y otras aplicaciones médicas.

También están disponibles compuestos o variaciones de estos materiales, por ejemplo:
Circonita endurecida con alúmina: gran biocompatibilidad y resistencia al desgaste y al choque térmico, recomendada para aplicaciones biomédicas e industriales.

3d printing zirconia
Circona para impresión 3D

Sílice

El sílice (SiO2) es conocido por su resistencia al choque térmico y su lixiviabilidad (disolución química). Por estas razones, se usa frecuentemente en la producción de carcasas y núcleos de moldeo en ingeniería aeroespacial y energética.

Y materiales con base de sílice para moldear núcleos utilizados en la producción de moldes.

3D printing silica
Sílice para impresión 3D

Cerámica sin óxido

Las cerámicas sin óxido funcionan mejor que las cerámicas de óxido en entornos extremos, por ejemplo, en entornos con altas temperaturas. El carburo de silicio y el nitruro de silicio, dos cerámicas sin óxido típicamente utilizadas, pueden soportar, por ejemplo, temperaturas de hasta 2400 grados Celsius.

Además, muestran una gran dureza, resistencia a la corrosión, y resistencia a la oxidación.

Carburo de silicio

El carburo de silicio es duro (cuatro veces más duro que el acero inoxidable) y cuando el silicio se infiltra, el carburo de silicio se convierte en uno de los metales más duros de todo el mundo. Es mucho más ligero y duro que otras cerámicas y es resistente a los ácidos. El carburo de silicio, es la cerámica más resistente a la corrosión. Se utiliza en sellos mecánicos y piezas para bombas, frenos de automóviles, embragues de automóviles y hay placas de cerámica en los chalecos antibalas que están hechos de este material.

Carburo de boro

El carburo de boro es particularmente interesante si es expuesto a altas temperaturas debido a que su punto de fusión es extremadamente alto (> 3000 ° C), tiene alta resistencia a la oxidación y alta conductividad térmica y eléctrica; Este material puede ser un buen candidato para una variedad de aplicaciones, como revestimientos refractarios, electrodos, dispositivos microelectrónicos y herramientas de corte, así como aplicaciones para uso militar y de defensa como blindaje de tanques, chalecos antibalas, etc.

Nitruro de aluminio

Las propiedades mecánicas de esta cerámica, combinadas con una alta conductividad térmica y aislamiento eléctrico, son muy recomendadas en la industria electrónica.

Nítrido de silicona

El nitruro de silicio se encuentra entre las cerámicas técnicas más duras y resistentes. Presenta una densidad muy baja, alta tenacidad, buena resistencia a la flexión y excelente resistencia al choque térmico. Su aplicación se encuentra en componentes de bombas, válvulas y semiconductores entre otros.

Cerámica técnica en aplicaciones aeroespaciales y médicas

Como hemos visto, las cerámicas técnicas se utilizan en diferentes industrias, en química, maquinaria, electrónica, y como semiconductores en el campo aeroespacial y biomédico.
Las dos últimas industrias son especialmente, usan bastante estas cerámicas avanzadas, debido a sus excelentes propiedades, la industria aeroespacial le busca materiales livianos, duros y resistentes al calor, mientras que la biocompatibilidad, la inercia química y la resistencia a la corrosión son beneficiosas para aplicaciones médicas.

Para aplicaciones médicas como implantes dentales, de cadera y de rodilla, la cerámica se considera como una alternativa a los metales como el titanio debido a la inercia química superior del material.

Pero podría pasar un tiempo antes de que esto se convierta en realidad.

Como ambas industrias están altamente reguladas y las piezas deben cumplir con altos estándares de seguridad. Obtener y cumplir con la certificación y la calificación puede ser un desafío en los próximos años.

Impresión 3D con cerámica técnica

Habiendo hablado brevemente sobre los diferentes materiales, veamos ahora los métodos de impresión 3D disponibles y desarrollados para fabricar piezas de cerámica técnica.

Las cerámicas técnicas son difíciles de formar utilizando técnicas de fabricación tradicionales. El mecanizado de componentes cerámicos es extremadamente difícil debido a su dureza y fragilidad, esto es especialmente cierto para piezas más grandes. Además, crear piezas complejas y detalladas con cerámica también puede ser un desafío.

Por tanto, la fabricación aditiva puede ser el método más adecuado para avanzar en el campo de la fabricación con cerámicas. Gracias a la fabricación aditiva es posible producir piezas con geometrías más complejas que no se podían fabricar con técnicas tradicionales de mecanizado o moldeado.

La cerámica se puede imprimir en 3D con una variedad de procesos de impresión 3D, desde estereolitografía hasta sinterización selectiva por láser y fabricación de objetos laminados. La materia prima de cerámica está disponible en diferentes formas según se requiera para cada uno de estos procesos.

Procesos de impresión 3D para cerámica

Pasta cerámica para estereolitografía

La estereolitografía (SLA) utiliza lodo o pasta de cerámica como materia prima.

El lodo de cerámica es una mezcla de resinas fotosensibles y una carga sólida de polvo cerámico.
Los componentes cerámicos se construyen mediante la deposición de capas sucesivas utilizando un láser que polimeriza una pasta compuesta de resina fotosensible y cerámica.
A continuación, las piezas se someten a un tratamiento térmico que elimina la resina (desaglomerado) y densifica (sinterizando) la cerámica.

Los lodos cerámicos, o las pastas cerámicas también se pueden imprimir utilizando tecnologías similares, como la impresión con luz directa (DLP) y la tecnología de fabricación de cerámica basada en litografía (LCM).

Polvo cerámico para SLS

Luego tenemos polvo cerámico para sinterización selectiva por láser (SLS) y fusión selectiva por láser (SLM)

Filamento cerámico para LOM y FDM

Y cerámica en forma sólida para métodos como la fabricación de objetos laminados (LOM) y el modelado por deposición fundida (FDM), este último utiliza filamentos cerámicos de polvo ligados en una matriz termoplástica.

De estos procesos, la estereolitografía o técnicas de fotopolimerización relacionadas como DLP son las más utilizadas comúnmente. Se puede lograr un buen acabado en la superficie con estos métodos.

Los altos grados de fusión de la cerámica pueden hacer que la impresión con SLS o SLM sea un desafío.

También tenga en cuenta que las máquinas SLA y DLP son mucho más baratas que los sistemas SLM.

Beamler ofrece las tecnologías SLA, DLP y LCM en su plataforma.

Conclusión

Las cerámicas técnicas son excelentes materiales para aplicaciones que requieren dureza y alta resistencia al calor. Estos materiales son difíciles de moldear con métodos tradicionales. La fabricación aditiva puede ser el impulso final para la promoción de un uso más amplio de materiales cerámicos en las distintas industrias.

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