Binder jetting 3D printing of copper

Binder Jetting is a non-fusion based additive manufacturing technique which consists in the selective deposition of a liquid binder layer-by-layer on a powder bed to obtain non-conventional geometries. After printing, several post-processing techniques are performed: curing to obtain sufficient strength for cleaning and handling of the green, debinding which burns out polymeric binder and sintering to achieve the desired densification and mechanical properties. In this thesis work, pure copper parts were printed with an Innovent+ 3D printer by ExOne. A study to assess the best printing parameters, as the optimal value of binder saturation, and the best post-processing thermal cycle to obtain adequate values of densification was realized. The solid-state sintering mechanisms were studied through dilatometry analysis performed at different temperatures and controlled atmospheres. Finally, all the specimens were observed with optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM) to evaluate the microstructure. The highest values of final relative density were obtained with separate debinding and sintering treatments: the former is executed in argon atmosphere, while the latter is performed in vacuum at 1000 °C, with a holding time of 3 hours. Finally, the possibility of a sintering treatment in air in presence of graphite was explored as a viable alternative to more complex and expensive procedures.

Il Binder Jetting è una tecnica di manifattura additiva senza fusione che consiste nella deposizione selettiva di un legante liquido strato per strato su un letto di polvere e permette di ottenere pezzi con varie geometrie. Al termine della stampa, è necessario effettuare alcuni trattamenti termici: il trattamento di curing permette di ottenere pezzi verdi abbastanza resistenti per essere maneggiati e per eliminare la polvere in eccesso, successivamente con il debinding il legante polimerico viene bruciato ed eliminato. Infine, si esegue il trattamento di sinterizzazione così da aumentare la densità e le proprietà meccaniche del componente. In questo lavoro di tesi, sono stati stampati dei pezzi di rame puro con la stampante 3D Innovent+ 3D della ExOne al fine di trovare i parametri di stampa migliore, in particolare il valore di saturazione del legante, e il migliore ciclo termico in modo da ottenere buoni valori di densità. Sono stati studiati i meccanismi di sinterizzazione allo stato solido tramite analisi di dilatometria eseguite a diverse temperature e in diverse atmosfere. Infine, tutti i campioni sono stati osservati con il microscopio ottico e il microscopio elettronico a scansione (SEM) per valutare la microstruttura. I risultati migliori per quanto riguarda la densità relativa del pezzo finale sono stati ottenuti grazie alla separazione dei trattamenti di debinding e sinterizzazione: il primo è stato eseguito in un’atmosfera contenente argon, invece il secondo è stato compiuto in vuoto a 1000 °C con un mantenimento di 3 ore. Infinte, la possibilità di effettuare il trattamento di sinterizzazione in aria in presenza di grafite è stata studiata come alternativa a procedure più complesse e costose.