Development and manufacturing of mini 3D printer machine for ceramics

O trabalho trata do estudo do processo de impressão tridimensional e desenvolvimento de uma impressora para a produção de corpos-de-prova cerâmicos. A técnica de impressão tridimensional pertence ao grupo de prototipagem rápida e consiste na obtenção de um corpo sólido a partir de um modelo digital de três dimensões, através do fatiamento do modelo tridimensional e da impressão seqüencial de suas respectivas fatias. Durante o processo de impressão, deposita-se um ligante sobre camadas sucessivas de pó e em cada camada, o ligante consolida o pó no formato bidimensional da fatia, que por fim soma-se as outras fatias subseqüentes, consolidando assim o formato tridimensional do modelo. Os equipamentos convencionais de impressão 3D utilizam pós a base de gesso e acrílico, onde o ligante, a base de água, fornece a primeira adesão química; posteriormente é infiltrada uma resina para fornecer uma ligação com o pó de acrílico. Na impressão de cerâmica a base de alumina ou zircônia, o desenvolvimento de ligantes tem de ser realizado visando à adesão química e orgânica combinadas antes da sinterização. Neste projeto, uma mini impressora 3D para corpos de prova foi desenvolvida e com ela foram produzidos corpos de geometria simples e seção constante, cujo projeto, custo, manutenção simplificada e econômica possibilita também o emprego de materiais agressivos nos ligantes, com risco de danificação de componentes, a exemplo de ácido fosfórico, porém com baixo custo de recuperação. Foram analisados diversos tipos pelo dimensionamento de seus aglomerados, fluidez e densidade. Obteve-se pó a base de gesso por R$15,00 o kilograma. Corpos de prova foram analisados com relação à resistência mecânica por flexão de três pontos, densidade, porosidade aparente e imagens por microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Um protótipo de uma mini-impressora foi idealizado, projetado e fabricado, soluções originais e econômicas foram propostas e na sua validação alguns conceitos necessitam de melhorias, ainda assim foram obtidos resultados promissores. Foi desenvolvida uma formulação de pó baseado em gesso que teve o custo de aproximadamente 5% do produto importado.The work studies the three-dimensional printing process and the development of a 3D printer to produce ceramic specimen. The 3D printing technique belongs to the rapid prototype group and consists in obtaining a solid body from a three-dimensions digital model, through the slicing of the three-dimensional model and the sequential printing of their respective slices. During the printing process, a binder is deposited upon successive powder layers, and in each layer, the binder consolidates the powder into the bi-dimensional shape of the slice, which ultimately adds to the other slices that followed, consolidating the three-dimensional shape model. The conventional 3D printing equipments uses powder based in gypsum and acrylic, where the water-based binder, provides the first chemical bind; subsequently is infiltrated a resin to provide a binding with the acrylic powder. In the ceramic printing based on alumina or zirconia, the development of binders must be accomplished looking for a organic and chemical bind before sintering. In this project, a mini 3D printer for ceramic specimens was developed and built, with it were be produced bodies of simple geometry and constant section, which design, cost and simplified maintenance and cost also enable the use of aggressive materials in binders, with the risk of components damage, such as phosphoric acid, but with low cost to recovery. Were analyzed several types of powders by the sizing of its clusters, fluidity and density. Were obtained gypsum powder for $ 7.00 a kilogram. The specimen were analyzed in relation to the mechanical strength by three-point bending, density, apparent porosity and images by optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). A prototype of a mini 3D printer was designed, engineered and manufactured, unique and economical solutions have been proposed and in its validation some concepts need of improvement, yet promising results were obtained. It was developed a powder formulation based on gypsum that has cost about 5% of the imported product