Materiais

Peças de cerâmica resistentes ao calor agora podem ser impressas em 3D

Pesquisadores demonstram impressão em alta resolução de objetos feitos de materiais cerâmicos versáteis.

  • segunda-feira, 04 de janeiro de 2016
  • Por Mike Orcutt
  • Tradução por Elisa Matté (OPINNO)

Imagem: Um impulsor de cerâmica em escala milimétrica, um componente mecânico rotativo utilizado para transmitir o movimento de um fluido em bombas e turbinas.

A promessa de fabricação aditiva ou impressão 3D, uma forma mais rápida e barata de fabricar peças customizáveis – é limitado pela variedade de materiais para impressão, que até agora incluiu principalmente polímeros e alguns metais. Agora nós podemos adicionar cerâmica, uma importante classe de materiais cuja alta resistência a estresse, calor, degradação química e atrito os torna atraentes para uso nas forças armadas e na indústria aeroespacial para tudo, desde peças externas de um avião exterior a pequenos componentes para foguetes.

Graças a um truque da ciência dos materiais demonstrado por pesquisadores da HRL Laboratories, os engenheiros podem agora usar fabricação aditiva para construir peças de cerâmica detalhadas e personalizadas que aproveitam de todas estas propriedades atraentes de uma só vez.

É um desafio transformar cerâmica em peças duráveis, especialmente aqueles com formas complexas. Os materiais não são compatíveis com as técnicas de fabricação convencionais como usinagem e fundição e o método típico envolve usar o calor para transformar pó em formas sólidas. Esta abordagem, que também pode ser usada na fabricação aditiva, não é muito confiável, no entanto, e geralmente apresenta falhas que podem levar a fissuras e fraturas.

Imagem: Um saca-rolhas de cerâmica, de pouco mais de 20 micrômetros de comprimento, ilustra a resolução fina possível através estereolitografia da impressão 3D.

Os pesquisadores da HRL Labs contornaram este problema desenvolvendo uma nova resina de impressão feita de chamados polímeros pré-cerâmicos, que podem ser convertidos em cerâmica aquecendo-os a temperaturas elevadas. Eles demonstraram que a nova resina é compatível com uma técnica de fabricação aditiva popular chamada estereolitografia, em que um feixe de laser é usado para construir estruturas camada por camada usando um polímero líquido. Os pesquisadores também mostraram que ele funciona com uma técnica especializada que emprega luz ultravioleta e máscaras modeladas para construir estruturas 3D complexas como treliças, 100 a 1.000 vezes mais rapidamente do que a estereolitografia convencional. Após a impressão, os pesquisadores aqueceram as peças para transformá-las em cerâmica e demonstraram suas propriedades mecânicas impressionantes.

Imagem: Uma estrutura cerâmica curva ilustra a capacidade de produzir estruturas detalhadas em formatos não convencionais.

Duas classes de estruturas cerâmicas úteis - peças grandes, muito leves que poderiam ser usados em painéis resistentes ao calor e outras menores e mais detalhadas para naves espaciais – agora podem ser impressas graças à nova abordagem, diz o cientista sênior da HRL Labs Tobias Schaedler, que liderou a pesquisa.

Imagem: Borda de ataque impressa em 3D, a parte de uma asa de avião ou espaçonave que entra em contato com o ar primeiro. As faces da peça envolvem uma estrutura de treliça.

Schaedler diz que o grupo agora conta com o financiamento da DARPA, que também apoiou esta pesquisa, para usar a nova técnica para desenvolver uma aerocápsula cerâmica, essencialmente, um escudo que protege a espaçonave ou aeronave hipersônica do calor, pressão e detritos. Espumas cerâmicas são atraentes para esta aplicação devido às suas propriedades térmicas, mas as suas propriedades mecânicas pobres torna-las inadequadas para uso em estruturas de suporte de carga, diz Stefanie Tompkins, diretor do departamento de Ciências da Defesa do DARPA. Estruturas de rede cerâmicas criadas pela HRL Labs são 10 vezes mais fortes do que as espumas disponíveis comercialmente.

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