Experimental investigations of water debinding for additive applications

The material extrusion based additive manufacturing technique is an interesting method to fabricate complex metallic whereby feedstocks containing thermoplastic binders and metallic powders are printed and the resulting parts are subjected to debinding and sintering. A limiting factor of this process is the debinding step, usually done thermally. Long thermal cycles are required to avoid defects such as cracks and blisters caused by trapped pyrolysis products. Therefore as an alternative two stage debinding method (binder extraction carried out in two steps: by solvent and thermal techniques) is used to eliminate the binder constituents from printed part. The binder comprises a major fraction of polyethylene glycol (PEG), which was removed by water leaching. The formation of open pore channels allows more rapid removal of the remaining binder, i.e. PP and SA, without swelling, cracking or blistering during subsequent thermal pyrolysis. In this study, the influence of percentage of binder present in the feedstock on the solvent debinding was investigated. Green specimens with different percentages of binder were maintained in water for immersion time of 48 hours at 40 ℃, and the weight losses were evaluated as a function of time. The study showed an increase in percentage of binder removed with increase in the percentage of binder in the feedstock. To understand the effect of solvent temperature and surface area to volume ratios (As/V) on debinding rate, green specimens with two different bulk As/V ratios were immersed in water at two temperature level 40℃ and 50℃ respectively with the conclusion that an increase in percentage of binder removed was observed with increase of both the As/V ratio and the solvent temperature. A comparison of extrusion based additive and compressed feedstock specimen revealed that debinding rate for compressed feedstock is less compared to additive specimen.

La tecnica di estrusione basata sull’additive manufacturing è una soluzione interessante per la produzione di parti dalla geometria complessa; si parte da un feedstock composto da materiale legante termoplastico e polvere metallica che viene stampato, successivamente i pezzi ottenuti sono soggetti alle operazioni di rimozione del legante polimerico, comunemente note come debinding, e alla sinterizzazione. Un fattore limitante di questo processo è appunto il debinding, solitamente operato termicamente. Sono necessari cicli termici molto lunghi per evitare difetti come cricche o bolle causate dai prodotti della pirolisi che restano intrappolati nell’estruso. Per queste ragioni è stato sviluppato un metodo alternativo di debinding composto di due fasi distinte (attraverso un solvente e poi termicamente) . Il materiale polimerico è costituito per la maggior parte di glicole polietilenico (PEG) il quale è rimosso per lisciviazione ad acqua. La formazione di piccoli canali permette un’eliminazione più rapida del legante, per esempio PP e SA, senza alcuna perdita geometrica e formazione di cricche o bolle durante le fasi successive di pirolisi. In questo elaborato è stata analizzata l’infuenza della percentuale di materiale polimerico presente nel feedstock sul processo di debinding mediante solvente. Le parti al verde, con percentuali di legante variabili, sono state mantenute in acqua per un tempo di immersione pari a 48 ore a 40°C ed è stata analizzata rimozione di legante in funzione del tempo. I risultati mostrano un maggior tasso di rimozione con l’aumentare della percentuale di componente plastico inizialmente presente nel feedstock. Per capire l’effetto della temperatura del solvente e del rapporto superficie di scambio su volume (As/V) sul tasso di rimozione, sono state analizzate diverse geometrie e diversi livelli di temperatura (40°C e 50°C) ; la conclusione dell’esperimento è stata che entrambi i parametri sono direttamente proporzionali alla rimozione del legante. Un confronto tra pezzi estrusi e pezzi ottenuti attraverso la pressatura del feedstock mediante un’inglobatrice ha infine rivelato che il tasso di eliminazione del materiale polimerico è sensibilmente maggiore per le parti additive rispetto a quelle inglobate