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Impressão 3D Cerâmica Avançada

A impressão 3D está ganhando terreno como uma maneira conveniente de fabricar peças cerâmicas avançadas personalizadas, além de ser mais barata e abrir novas portas para aumentar a liberdade de design.

Os materiais cerâmicos avançados são conhecidos por suas excelentes propriedades, como resistência a altas temperaturas, dureza, inércia química, maior resistência ao desgaste do que metal e plástico, e também por geralmente ter isolamento elétrico e térmico. Esses materiais são incorporados em projetos industriais quando condições exigentes exigem um material robusto e confiável. 

As propriedades térmicas, elétricas e biocompatíveis dos materiais cerâmicos técnicos permitem que eles sejam usados ​​em uma variedade de sensores e selos mecânicos na indústria automotiva, implantes ósseos e dentaduras na indústria médica e escudos térmicos para satélites espaciais, entre outros.

No entanto, os métodos convencionais de fabricação de cerâmica geralmente estão relacionados a moldes caros, o que inviabiliza a fabricação de peças cerâmicas em pequena escala. Por outro lado, a manufatura aditiva cerâmica pode superar esse obstáculo fornecendo componentes cerâmicos personalizados a um custo menor e prazos de entrega reduzidos. Além disso, a otimização da funcionalidade exige maior complexidade em peças e componentes, e a cerâmica de impressão 3D oferece maior flexibilidade do que os métodos tradicionais e pode produzir formas que antes não eram possíveis.

Neste artigo, veremos diferentes aplicações da fotopolimerização em cuba cerâmica e as diferentes etapas do processo, além de algumas considerações. 

O contexto

A manufatura aditiva cerâmica pode ser realizada por várias tecnologias, como jateamento de ligante, escrita direta com tinta e sinterização seletiva a laser. No entanto, todas essas tecnologias não são adequadas para produzir peças densas, portanto suas aplicações são bastante restritas. Por outro lado, a fotopolimerização em cuba é a tecnologia de manufatura aditiva mais madura para cerâmica, sendo capaz de produzir peças estruturais densas.

Nesse contexto, a fotopolimerização em cuba cerâmica se destaca por ser capaz de produzir peças de alto desempenho com excelente resolução e qualidade superficial. De acordo com a ISO/ASTM 52900:2015, a fotopolimerização em cuba é um “processo de fabricação aditiva em que o fotopolímero líquido em uma cuba é curado seletivamente por polimerização ativada por luz”, como os conhecidos processos DLP ou SLA usados ​​por impressoras 3D de resina.

Embora esse processo possa ser dividido de acordo com a forma como o padrão de luz é formado para criar cada camada ou por fonte de luz, este artigo não fará distinção entre os tipos de fotopolimerização em cuba, pois todas podem ser utilizadas na fabricação de cerâmicas. Matéria-prima, equipamentos e pós-processamento, no entanto, apresentam desafios na impressão 3D de peças cerâmicas com processos de fotopolimerização em cuba.

Odontologia

Na indústria odontológica, diversas restaurações dentárias cerâmicas (ou seja, copings, coroas e pontes) produzidas por fotopolimerização em cuba têm sido estudadas usando zircônia, alumina e materiais vitrocerâmicos. Além disso, já estão disponíveis soluções comerciais para coroas totalmente anatômicas para restaurações minimamente invasivas com estética e resistência perfeitas .

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Uma aplicação comum para os materiais cerâmicos é na confecção de próteses e moldes odontológicos.

Engenharia de Tecidos

Em termos de engenharia de tecidos, há a fabricação de scaffolds customizados para reparo ósseo feitos de biocerâmica. A fotopolimerização em cuba cerâmica permite mimetizar estruturas presentes na natureza, como o osso trabecular bovino, tanto em geometria complexa quanto em composição química. Aplicações como implantes cranianos ou maxilares já são possíveis e apresentam soluções comercialmente disponíveis.

Outras aplicações de engenharia

Em aplicações de engenharia, o melhor desempenho pode ser alcançado com a otimização da geometria possibilitada pela técnica em diversas áreas, como aplicações catalíticas (da indústria automotiva até aplicações biocatalíticas ) e trocadores de calor. Assim, a utilização de componentes customizados para cada caso alcança maior eficiência nos processos, aumenta os ganhos e possibilita novas aplicações.

A seguir, abordaremos o processo de fotopolimerização em cuba cerâmica, começando pelo fornecimento de materiais.

Matéria-prima

Os fornecedores de impressão 3D de cerâmica também oferecem matérias-primas compatíveis com seus equipamentos. Assim, uma grande variedade de matérias-primas cerâmicas já está disponível comercialmente como óxido de alumínio, óxido de zircônio e hidroxiapatita. Além disso, um grande número de pesquisadores em todo o mundo tem trabalhado recentemente para melhorar o desenvolvimento e otimização dessas matérias-primas, e alguns conseguiram formulações promissoras de suspensões cerâmicas para fotopolimerização em cuba.

A matéria-prima para a fotopolimerização em cuba cerâmica é uma suspensão composta por uma mistura entre resina fotossensível, pó cerâmico e aditivos. A suspensão deve satisfazer os requisitos do processo, nomeadamente ter uma elevada quantidade de carga cerâmica bem como uma viscosidade moderada.

No entanto, atender a ambos os requisitos é um desafio, pois quanto maior a carga sólida, maior a viscosidade. Além disso, uma suspensão com sedimentação insignificante é desejável. Por fim, vários requisitos relacionados ao comportamento reológico da suspensão devem ser atendidos.

Assim, os componentes da suspensão devem ser cuidadosamente selecionados. Por exemplo, as partículas cerâmicas devem ter um tamanho de partícula adequado e área superficial específica, e um dispersante eficaz deve ser selecionado para promover a interação entre a resina e o pó cerâmico, entre outros.

Além disso, a preparação adequada deve ser usada para fornecer uma suspensão homogênea. A mistura das matérias-primas geralmente é processada em um moinho de bolas por várias horas.

Impressoras 3D

A alta carga de sólidos das suspensões cerâmicas gera matérias-primas viscosas. Tal característica dificulta a criação de camadas no processo de fotopolimerização em cuba. Assim, a maioria das impressoras 3D de resina comercial não foram projetadas para fabricar cerâmicas avançadas. Equipamentos especiais com sistemas de revestimento dedicados são frequentemente usados ​​ao trabalhar com esses materiais.

Embora a maioria das impressoras 3D de fotopolimerização em cuba cerâmica tenha surgido nos últimos cinco anos, existem empresas bem estabelecidas – Lithoz e 3DCeram, por exemplo – que trabalham nessa área há anos. É importante notar, no entanto, que se trata de máquinas industriais cujos preços podem limitar a adoção generalizada da técnica.

Por outro lado, as pesquisas com protótipos caseiros  e impressoras 3D comuns (comumente utilizadas na fabricação de peças de resina) têm ganhado importância, podendo levar à expansão da técnica para laboratórios e pequenas indústrias. Ainda assim, as impressoras 3D não industriais apresentam restrições de uso significativas, geralmente utilizando suspensões com menor carga cerâmica, proporcionando peças com propriedades mecânicas reduzidas. Para saber mais sobre as principais novidades do mundo da impressão 3D leia a matéria completa no site.

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