Os materiais necessários para o processo de impressão 3D (3DP) consistem principalmente em materiais em pó e ligantes.
1. Materiais em Pó
eu. Requisitos de desempenho
Com base nos princípios operacionais do 3DP, os materiais em pó precisam possuir boa moldabilidade, alta resistência à conformação, tamanho de partícula pequeno, baixa tendência a aglomerar, boa fluidez, densidade e porosidade adequadas e secagem e endurecimento rápidos. Entre estas propriedades, o tamanho das partículas é particularmente crucial.
Partículas menores fornecem forças de van der Waals mais fortes entre elas, mas têm menor fluidez e são propensas a formar poeira, o que pode entupir a cabeça de impressão. Partículas maiores apresentam melhor fluidez, mas podem comprometer a precisão da impressão do molde. O tamanho das partículas do pó pode variar de 1μm a 100μm dependendo do tipo de impressora utilizada e das condições de operação.
Os pós que podem ser utilizados no processo 3DP incluem pó de gesso, amido, pó cerâmico, pó metálico, materiais termoplásticos e outros pós com tamanhos de partícula adequados.
ii. Composição em pó
Os materiais em pó compreendem cargas, ligantes e aditivos.
a. Enchimentos: Opções como areia de quartzo, pó cerâmico, pó de gesso, pó de polímero (por exemplo, polimetilmetacrilato, polioximetileno, poliestireno, polietileno, parafina, etc.), pó de óxido metálico e amido podem ser usados como corpo principal do material em pó. Esses enchimentos aumentam a resistência das peças e ajudam a controlar a deformação após a modelagem induzida pelo ligante.
b. Fichários: A inclusão de ligantes em pó pode aumentar a resistência de formação do pó. Álcool polivinílico, celulose (como celulose polimerizada, celulose de carboneto de silício, celulose de grafite, celulose de silicato de alumínio, etc.) e maltodextrina podem servir como agentes de reforço. Contudo, o comprimento da celulose deve ser inferior à redução da altura do leito de pó durante a impressão.
A adição de sílica coloidal ajuda o aglutinante líquido a gelificar rapidamente ao entrar em contato com o pó, aumentando a eficiência da impressão.
c. Aditivos: Além de enchimentos e ligantes, vários aditivos em pó são necessários para ajustar o desempenho. Lubrificantes sólidos como pó de óxido de alumínio, amido solúvel e pó de talco podem melhorar a fluidez do pó, facilitando a aplicação de camadas finas e uniformes. A adição de partículas pequenas e de alta densidade, como a sílica, pode aumentar a densidade do pó e reduzir a porosidade, evitando a penetração excessiva do aglutinante durante a impressão.
A adição de lecitina pode minimizar a formação de pequenas partículas e manter a estabilidade do formato de impressão. Além disso, é essencial dispersar adequadamente o pó para evitar aglomeração devido ao pequeno tamanho das partículas.
d. Preparação: Além da simples mistura, enchimentos e ligantes também podem ser revestidos. Ao revestir as cargas com um aglutinante (tal como polivinilpirrolidona) e secar, os dois componentes podem ser dispersos de maneira mais uniforme no material em pó, permitindo a penetração uniforme do aglutinante ejetado. Alternativamente, as cargas podem ser divididas em duas porções para revestimento: uma com um aglutinante à base de ácido e outra com um aglutinante à base de base.
Quando os dois se encontram através de um meio, eles podem reagir rapidamente para formar uma forma. O revestimento também reduz efetivamente o atrito entre as partículas, melhorando sua fluidez. Porém, é importante que o revestimento seja muito fino, variando de 0,1 a 1,0μm.
2. Agentes Adesivos
① Requisitos de desempenho
a. Viscosidade apropriada.
Os agentes adesivos devem ter viscosidade adequada para garantir a formação de gotículas individuais que possam se desprender do bico do cabeçote de impressão. Para a cabeça de impressão piezoelétrica SEIKO1020, a faixa de viscosidade recomendada para agentes adesivos é de 8 a 12 mPa·s.
b. Tensão superficial adequada.
A tensão superficial deve ser adequada para promover uma boa interação entre o agente adesivo e o pó, garantindo um umedecimento eficaz.
c. Força de ligação suficiente.
Os agentes adesivos precisam possuir força de ligação suficiente para garantir a integridade da estrutura impressa inicial.
d. Não corrosivo.
Normalmente, os agentes adesivos líquidos são ejetados através das cabeças de impressão metálicas e não devem causar corrosão.
e. Não tóxico e ecológico.
Devem cumprir os regulamentos ambientais nacionais ou organizacionais relevantes, estar isentos de odores voláteis, de efeitos secundários não tóxicos, ecológicos e particularmente adequados para ambientes de escritório.
f. Características de combustão limpas.
Para aplicações de pó metálico, os agentes adesivos geralmente requerem sinterização e remoção pós-processamento. Eles devem ter propriedades de combustão limpas, resíduos mínimos de cinzas e nenhuma emissão de subprodutos tóxicos.
g. Estabilidade.
As propriedades acima mencionadas devem permanecer estáveis para facilitar o armazenamento a longo prazo e para garantir uma qualidade consistente do produto entre lotes.
② Componentes Principais
Claramente, os agentes adesivos líquidos consistem principalmente num meio de base e solventes. Além disso, devem incluir umectantes, agentes de secagem rápida, lubrificantes, coagulantes, intensificadores de fluxo, ajustadores de pH e outros aditivos (como corantes, antiespumantes), nenhum dos quais deve reagir com o material do cabeçote de impressão.
Por exemplo, umectantes como polietilenoglicol e glicerol ajudam a reter a umidade, facilitando o armazenamento estável a longo prazo dos agentes adesivos, e o glicerol também serve como lubrificante para reduzir o entupimento da cabeça de impressão. Soluções de baixo ponto de ebulição, como etanol e metanol, podem ser adicionadas para aumentar a velocidade de evaporação do excesso de adesivo.
Para materiais em pó que utilizam sílica coloidal ou substâncias similares como agentes gelificantes, aditivos como ácido cítrico podem ser introduzidos como coagulantes para aumentar a eficácia da ligação. Pequenas quantidades de outros solventes (como metanol) ou a adição de compostos orgânicos de pesos moleculares variados podem ser usadas para ajustar a tensão superficial e a viscosidade para atender aos requisitos da cabeça de impressão.
A tensão superficial e a viscosidade afetam muito a formação de gotículas durante a impressão; o formato e o tamanho corretos das gotas afetam diretamente a precisão do processo de impressão. Para melhorar a fluidez dos agentes adesivos líquidos, compostos como éter butílico de dietilenoglicol, polietilenoglicol, sulfato de alumínio e potássio, acetona e poliacrilato de sódio podem ser adicionados como intensificadores de fluxo para acelerar a velocidade de impressão.
Para aqueles agentes adesivos com requisitos específicos de pH, trietanolamina, hidróxido de tetrametilamônio, ácido cítrico e outros podem ser usados para ajustar o pH a níveis ideais.
Corantes que se dispersam uniformemente podem ser adicionados para fins estéticos ou demandas do produto durante o processo de impressão. É importante ressaltar que a quantidade de aditivos deve ser limitada, geralmente inferior a 10% por fração mássica, pois uma quantidade excessiva pode afetar o resultado do pó impresso e o desempenho mecânico do cabeçote de impressão.
③ Tipos principais
Os agentes adesivos utilizados nos processos 3DP podem ser classificados de diversas maneiras.
a. Do ponto de vista das propriedades dos materiais, eles podem ser categorizados em agentes adesivos orgânicos e inorgânicos. Os agentes adesivos orgânicos unem os materiais em pó através da cura, enquanto os agentes adesivos inorgânicos unem através da gelificação coloidal.
b. Do ponto de vista da reação química, eles podem ser divididos em agentes adesivos ácidos e básicos, agentes adesivos de sal metálico e agentes adesivos solventes. Os agentes adesivos ácidos e básicos unem materiais em pó através de reações químicas ácido-base, os agentes adesivos de sais metálicos unem-se através de reações de recristalização, redução ou deslocamento de sal, e os agentes adesivos solventes atuam principalmente em pós de polímero, dissolvendo as áreas pulverizadas ou depositadas e formando estruturas específicas. após a evaporação do solvente.
c. Do ponto de vista do mecanismo de ligação, eles podem ser separados em agentes adesivos de leito em pó, agentes adesivos de mudança de fase e agentes adesivos inibidores de sinterização. Os agentes adesivos de leito em pó, diferentes dos agentes adesivos líquidos padrão, aderem ao leito de pó através da ação do líquido pulverizado através do bico. Os agentes adesivos de mudança de fase unem os pós através da solidificação do adesivo, enquanto os agentes adesivos inibidores de sinterização podem controlar a área de sinterização pulverizando seletivamente materiais isolantes.
Esses três métodos de classificação são mostrados na Tabela 5-3.
Tabela 5-33 Tipos de ligantes para processo DP
| Tipo de fichário | Materiais Aplicáveis | Vantagens | Desvantagens | ||
| Classificação por propriedades de materiais | Aglutinante Orgânico | Polietileno, Resina Butiraldeído, Resina Fenólica | Adequado para a maioria dos materiais não sinterizados: fácil de remover com mínimo resíduo. | Propenso a entupimento de bicos. | |
| Aglutinante Inorgânico | Nitrato de alumínio, sílica coloidal | Aquece todo o leito de pó após a impressão, unindo o pó em partes. | Não reage imediatamente com o pó após a deposição. | ||
| Classificação por tipo de reação química | Aglutinante Ácido-Base | 10% de ácido fosfórico e ácido cítrico, polivinilpirrolidona | Quase nenhum resíduo após tratamento térmico. | Limitado a alguns pós. | |
| Pasta de sal metálico | Nitratos, Silicatos, Fosfatos | Utiliza reações de recristalização, redução e deslocamento para ligação. | O pó solto deve resistir à redução térmica durante o processo de redução de sal. | ||
| Aglutinante à base de solvente | Clorofórmio | Alta pureza das peças. | Comumente usado para polímeros. | ||
| Classificação por Mecanismo de Vinculação | Pasta de leito de pó | Cimento, Gesso | Inespecífico para certos pós, completamente removido em altas temperaturas: simples deposição líquida. | Etapas complexas de otimização. | |
| Pasta de mudança de fase | Dimetilpropano | Aplicável à maioria dos pós. | Restrições de aquecimento após a impressão. | ||
| Inibidores de Sinterização | Materiais isolantes, oxidantes químicos, etc. | Limites das peças pulverizados. | O excesso de pó contamina as peças. | ||
Os ligantes líquidos também podem ser classificados de acordo com sua interação com materiais em pó, dividindo-se em três tipos:
1. Ligantes líquidos que não se ligam por si próprios, servindo apenas como meio para a ligação dos materiais em pó. Estes volatilizam quase completamente após a impressão, adequados para materiais em pó endurecedores de auto-reação, como clorofórmio, etanol, etc.
2. Aglutinantes líquidos que reagem com materiais em pó, normalmente com acidez diferente dos materiais em pó, podem conseguir ligação através da reação. Por exemplo, pós compostos principalmente de alumina podem ser solidificados por pulverização com um aglutinante ácido.
Os ligantes à base de água mais comumente usados, contendo água como componente principal, podem fornecer um meio e ligações de hidrogênio na água, permitindo que gesso, cimento e outros materiais em pó gelifiquem por meio de ligações de hidrogênio, volatilizando após a formação. Para pós metálicos, sais metálicos são frequentemente adicionados ao aglutinante para induzir uma reação.
3. Os aglutinantes líquidos que se ligam parcialmente por si só contêm substâncias que se ligam quando adicionadas a um solvente líquido, deixando materiais de ligação chave após a evaporação do solvente. Os aditivos comuns para ligação incluem resina de butiraldeído, cloreto de polivinila, policarbosilano, polivinilpirrolidona e outros polímeros.
Os solventes líquidos compatíveis para estas substâncias aglutinantes incluem água, acetona, ácido acético, acetoacetato de etila, etc., sendo os aglutinantes à base de água os mais populares atualmente.
