Binder jetting of alumina powders

Binder Jetting 3D-Printing is an Additive Manufacturing technique consisting in the layer-by-layer deposition of a powder bed onto which a liquid binder is selectively deposited to form the final part. Binder Jetting offers many advantages with respect to other techniques, such as low cost, lower thermal-induced defects, the possibility to print even complex geometries without supports, and the great variety of printable materials. Ceramic materials are the natural application field of Binder Jetting technology given the possibility of consolidating them by sintering as in conventional manufacturing. Ceramics have interesting properties but often their application is confined due to the difficulties to obtain complex geometries without expensive machining that makes final products not competitive from an economical standpoint. In this sense, Binder Jetting can be an optimal solution, nevertheless it is still at an early-development stage. In this thesis work, alumina components were produced by Binder Jetting 3D-Printing using a series of powders characterized by different average sizes and microstructures. Each feedstock was characterised in terms of granulometry, rheology and morphology to determine the suitability to the powder bed formation. The printing process has allowed to produce green specimens with a high relative density (>50%) and the following sintering process carried out at 1750 °C has led to an increase of the final density to around 65%. Sintered parts have been analysed to determine their microstructural development and the internal distribution of porosity. However, density remains still insufficient, in fact, at least relative densities of about 95% are necessary to develop the required mechanical properties for structural applications. Therefore, an attempt of Iso-Static Pressing post-printing treatment, suitable for density increase, was carried out on green specimens. Finally, complex hollow geometries were printed to assess the geometrical tolerances of the technique in terms of minimum printable thickness and minimum depowderable hole dimensions.

La Stampa 3D Binder Jetting è una tecnica di manifattura additiva che consiste nella deposizione strato su strato di un letto di polvere sul quale un legante liquido viene selettivamente depositato al fine di costituire l’oggetto finale. Il Binder Jetting offre molti vantaggi rispetto ad altre tecniche, tra cui basso costo, minor numero di difetti indotti termicamente, la possibilità di stampare anche geometrie complesse senza la necessità di supporti e la grande varietà di materiali che possono essere stampati. I materiali ceramici sono il naturale campo di applicazione della tecnologia Binder Jetting data la possibilità di consolidarli tramite processi di sinterizzazione come avviene nella manifattura convenzionale. Le ceramiche hanno una serie di proprietà interessanti ma spesso il loro impiego è confinato a causa delle difficoltà ad ottenere geometrie complesse senza lavorazioni costose che rende il prodotto finale non competitivo da un punto di vista economico. In questa direzione, il Binder Jetting è un’ottima soluzione, tuttavia si trova ancora ad una fase iniziale di sviluppo. In questo lavoro di tesi, usando una serie di polveri caratterizzate da diverse dimensioni medie e microstruttura, componenti di allumina sono state prodotte tramite la stampa tridimensionale Binder Jetting. Ogni materia prima è stata caratterizzata in termini di granulometria, reologia e morfologia al fine di determinarne l’adeguatezza alla formazione del letto di polvere. Il processo di stampa ha permesso la produzione di campioni allo stato green caratterizzati da un’alta densità relativa (>50%) ed il seguente processo di sinterizzazione effettuato a 1750 °C ha porta ad un incremento della densità finale attorno al 65%. Le parti sinterizzate sono state analizzate al fine di determinarne lo sviluppo microstrutturale e la distribuzione della porosità. Tuttavia, la densità rimane insufficiente, di fatto, è necessaria almeno una densità relativa attorno al 95% per sviluppare proprietà meccaniche per applicazioni strutturali. Perciò, un tentativo di compressione isostatica in seguito alla stampa, adatto all’aumento di densità, è stato eseguito sui campioni allo stato green. Infine, sono state stampate geometrie cave complesse al fine di caratterizzare le tollerane dimensionali in termini di minimo spessore stampabile e dimensioni dei fori minime entro le quali è possibile rimuove la polvere in eccesso.