Design for digital light processing to 3D-print ceramics. Development of a design methodology and related sample test tool

AM Digital Light Processing (DLP) technology applied to 3D-print ceramics is a relatively emerging research topic but is gaining increasing interest. The DLP technique has significant potential in terms of high accuracy of print quality. 3D printing ceramics with DLP allows to reduce the possible process issues, timing significantly, and costs of single components and multi-part functional assemblies with complex shapes than traditional manufacturing production technologies. This thesis aims to investigate this area, thanks to the collaboration between the Department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering "Giulio Natta" of the Politecnico di Milano and Department of Applied Science and Technology (DISAT) of the Politecnico di Torino. During the research carried out by using academic literature, bibliography and sitography dealing with this topic, a lack of information has been found for the development of a background of theoretical and practical knowledge about both DLP technology and its application to process advanced ceramics for those who are willing to approach this specific context. The first phase of the investigation focused on identifying the factors that can influence the printing quality of ceramic parts printed with DLP, to prevent errors and damages and, thus, to minimize as much as possible the process steps (and, therefore, time and final costs) since the design. This research presents a design methodology focused on the specificities of DLP technology applied to ceramics according to a Design for Additive Manufacturing approach. The AM processes present a heterogeneity of potentialities and limits for each AM technique to be deeply known to reach standardized and repeatable quality results. This work aims to highlight how it is necessary to optimize the geometries to be produced, with specific guidelines for each AM technology and family of materials to be processed to prevent possible printing issues since the project phase. The starting point of the design step has been the development of a troubleshooting guide intended to solve problems for specific geometric features often encountered in this context. The guidelines refer to both the printing and post-processing phases. Furthermore, based on the drafted guide, a sample test tool composed of several modules has been designed specifically for DLP technology. This tool presents the defined design rules in a tangible way, allowing testing of the printing quality of different types of geometric features and the effects of densification heat treatments. Two identical sample test tools have been 3D printed, but oriented on the build plane differently (with and without inclination), in order to verify how both a design based on a Design for DLP approach for ceramics and the print orientation and the positioning of the supports can affect the final quality.

La tecnologia AM Digital Light Processing (DLP) applicata per stampare in 3D i ceramici è un argomento di ricerca relativamente emergente, ma che sta suscitando un interesse crescente. La tecnica DLP presenta significative potenzialità in termini di elevata accuratezza della qualità di stampa. Stampare in 3D i ceramici con DLP permette di ridurre sostanzialmente le possibili problematiche di processo, le tempistiche e i costi dei singoli componenti e degli assiemi funzionali multi-parte con forme complesse, rispetto alle tecnologie di produzione manifatturiere tradizionali. Questo lavoro di tesi mira ad approfondire questo ambito, grazie alla collaborazione tra il Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica "Giulio Natta” del Politecnico di Milano e il Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia (DISAT) del Politecnico di Torino. Nel corso della ricerca svolta utilizzando letteratura accademica, bibliografia e sitografia che trattano questo argomento, è stata riscontrata una carenza di informazioni per costruire un background di conoscenze teoriche e pratiche sia sulla tecnologia DLP che della sua applicazione per processare i ceramici avanzati per chi vuole approcciare questo specifico contesto. La prima fase di indagine si è concentrata sull’identificare i fattori che possono influenzare la qualità di stampa di parti ceramiche stampate con DLP, per prevenire errori e danni e, dunque, per ridurre il più possibile le fasi del processo (e quindi tempi e costi finali) sin dalla progettazione. Questa ricerca presenta una metodologia di progettazione focalizzata sulle specificità della tecnologia DLP applicata ai ceramici secondo un approccio Design for Additive Manufacturing. I processi AM presentano una eterogeneità di potenzialità e limiti per ogni singola tecnica AM da conoscere approfonditamente per arrivare a risultati di qualità standardizzata e ripetibile. Questo lavoro si pone dunque come obiettivi di mettere in evidenza come sia necessario ottimizzare le geometrie da produrre, con linee-guida specifiche per ogni tecnologia AM e famiglia di materiali da processare, con lo scopo di prevenire possibili problematiche di stampa sin dalla fase di progettazione. Il punto di partenza della fase progettuale è stato lo sviluppo di una guida, mirata alla risoluzione dei problemi per specifiche caratteristiche geometriche che si riscontrano spesso in questo contesto. Le linee-guida si riferiscono sia alla fase di stampa che al post- processing. Inoltre, basandosi sulla guida stilata, si è progettato un sample test tool composto da più moduli appositamente pensato per la tecnologia DLP. Questo tool presenta in modo tangibile le regole di progettazione determinate, permettendo così di testare la qualità di stampa di diverse tipologie di caratteristiche geometriche e gli effetti dei trattamenti termici di densificazione. Sono stati stampati in 3D due sample test tools identici, ma orientati sul piano di costruzione in modo differente (con e senza inclinazione), per verificare come sia una progettazione basata su un approccio Design for DLP per ceramici che l’orientamento di stampa e il posizionamento dei supporti possano influire sulla qualità finale.