3D thixo-printing : a new approach on 3d printing of biodegradable metallic materials

Orientador: Rubens Caram JúniorTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: A manufatura aditiva (originalmente chamada de prototipagem rápida) vem mudando os processos de manufatura desde sua criação na década de 1980, permitindo não só produzir antigos produtos de novas maneiras, mas também criar produtos radicalmente distintos dos existentes ou tecnologias até então inimagináveis. Atualmente, impressoras FFF (fused filament fabrication) são as representantes mais notáveis de prototipagem rápida, por serem as mais comuns e bem difundidas no mercado. A impressão 3D de materiais metálicos é menos popular, pois requer maior aparato tecnológico, o que encarece toda a cadeia de processo. Este trabalho propõe explorar a utilização da técnica FFF na produção de componentes metálicos, alcançando desde aplicações em artefatos ornamentais até áreas mais nobres como a dos biomateriais biorreabsorvíveis, usando materiais no estado semissólido. Para isso foram realizadas adaptações no cabeçote de extrusão de uma impressora FFF comercial, capacitando o equipamento para atuar em temperaturas de até 700 °C. A viabilidade do processo também dependeu do desenvolvimento de matérias-primas próprias para esta técnica, o que foi realizado com ligas dos sistemas binários Sn-Bi, Sn-Pb, Sn-Cu e Mg-Zn para utilização no estado semissólido. O comportamento de fusão/solidificação e o processo de desenvolvimento dessas ligas foram explorados por simulações termodinâmicas e por análises de calorimetria exploratória diferencial, para posterior produção de filamentos metálicos pelo processo de extrusão convencional. A caracterização microestrutural dos materiais no estado semissólido foi avaliada via comparação entre microestrutura dos materiais processados por duas vias distintas, tratamentos isotérmicos e impressos em 3D. Os resultados permitiram concluir que a utilização de tixoimpressão 3D é uma técnica viável para impressão de materiais metálicos, mostrando-se um processo inovador para a produção de implantes metálicos biorreabsorvíveis.Abstract: Additive manufacturing has been changing manufacturing processes since its inception in the 1980s, allowing not only to produce old products in new ways, but also to create radically different products from existing ones and to generate previously unimaginable products or technologies. Today, FFF (fused filamento fabrication) printers are the most notable representatives of additive manufacturing, since they are the most common and well-known in the market. 3D printing of metallic materials is less popular because it requires a greater technological apparatus, which makes the whole process chain more expensive. This work proposes to explore the use of the FFF technique in the production of metallic components, reaching even nobler areas such as biodegradable biomaterials, using materials in the semi-solid state. For this, adjustments were made to the extrusion head of a commercial FFF printer, enabling the equipment to operate at temperatures up to 700 ° C. As a raw material, alloys of Sn-Bi, Sn-Pb, Sn-Cu and Mg-Zn binary systems were developed for use in the semi-solid state. Thermodynamic simulations and differential scanning calorimetry analysis exploited the melting /solidification behavior and the development process of these alloys. The conventional extrusion process carried out the production of metallic filaments. The behavior of the materials in the semi-solid state was evaluated by comparing the microstructure of the materials submitted to the isothermal treatments and to the 3D printed ones. The results allowed to conclude that the use of tixoimpressão 3D is a viable technique for printing metallic materials, showing an innovative process for the production of metal implants with biodegradable materials.DoutoradoMateriais e Processos de FabricaçãoDoutor em Engenharia Mecânica156037/2015-7CNP