Study on extrusion of different powder-binder feedstocks for extrusion-based additive manufacturing

Extrusion Based Additive Manufacturing was applied to three different types of feedstocks for Powder Injection Moulding containing particles of alumina, zirconia and stainless steel. They are composed by a polymeric water-soluble binder that has been loaded with near to critical loading capacity. EFeSTO machine, built in Manufacturing Technologies laboratory of Politecnico di Milano, was employed to carry out freefall extrusion tests as well as printing tests with varying geometry, extrusion velocity and nozzle diameter. Pressure measurements were performed for the extruder piston and were then corrected to represent pressure at nozzle tip. The thermal properties were studied and correlated to extrusion behaviour. Rheological characteristics of the material were studied with twin-bore capillary rheometry and the power-law parameters were calculated. An analytical model that takes into account shear viscosity, elongational viscosity and wall slip was developed, and the power-law parameters were applied to experimental pressure readings in order to validate it.

Un processo di Extrusion Based Additive Manufacturing è stato applicato a tre diversi feedstock sviluppati per applicazione nel campo del Powder Injection Moulding, contenenti particelle di allumina, zirconia e acciaio inossidabile. Sono composti da un binder solubile in acqua, a cui sono state aggiunte particelle per una frazione in volume vicina a quella critica. La macchina EFeSTO, costruita nel dipartimento di Tecnologie Manufatturiere del Politecnico di Milano, è stata impiegata per test di estrusione libera e di stampa 3D, variando la geometria delle parti stampate, la velocità di estrusione e il diametro dell’ugello. Misure di pressione del pistone estrusore sono state corrette con la caduta di pressione per rappresentare la pressione all’entrata dell’ugello. Le proprieta termiche dei tre feedstock sono state studiate e correlate alla performance in fase di estrusione. Le caratteristiche reologiche dei materiali sono state analizzate attraverso un test twin-bore su un reometro capillare e i parametri della legge di potenza della viscosità relativi a ogni feedstock sono stati calcolati. È stato sviluppato un modello reologico analitico che tenga conto del contributo della viscosità shear e di quella extensional, così come del fenomeno del wall slip. Questi parametri sono stati applicati ai dati sperimentali di stampa per validare il modello.