Binder jetting 3D printing of potassium sodium niobate : optimization of printing parameters

Binder Jetting (BJT) is a non-fusion-based additive manufacturing technique. It consists of the selective deposition of a liquid binder to join powder particles, thus enabling the creation of near-net-shaped parts. After the printing, produced parts must be cured in an oven, to enable handling and removal of the powder in excess. Finally, the densification is obtained through a sintering step. The main advantages of BJT are represented by the possibility to process a wide range of different materials and the ease of scalability toward large-volume production series. In this thesis work, an attempt was made to optimise the main printing parameters (binder saturation, binder set time, drying time, and target bed temperature) of potassium sodium niobate (KNN) powder, to improve the accuracy and precision of green parts. The choice of this material was due to the growing interest in lead-free materials, due to regulations restricting the use of lead zirconate titanate (PZT). The optimisation procedure has been conducted using the Taguchi statistical method. An L9 orthogonal array with four factors of control at three levels each was employed. The analysis of variance of the mean standard deviations response and the level average analysis (LAA) showed the great influence of binder saturation, drying time and target bed temperature on the accuracy and precision of green parts. Dimensional analyses and piezoelectric characterisation of the sintered parts were conducted. Results show a higher relative density (> 80%) for the sintered parts printed with the lower binder saturation, despite opposite results being obtained for the green parts. Piezoelectric properties, on the other hand, exhibit more complex behaviour. It seems that a 'wetter' print, thus with more binder infiltrating for a longer time, leads to better results for Qm, g33 and consequently also FOM1 and FOM33 while lower values for ε33T. The d33, on the other hand, does not seem to have a strong correlation with either the density or the printing parameters. The effects of a double sintering process were evaluated, and the results show that it is detrimental to density while not benefiting piezoelectric or mechanical properties.

Il Binder Jetting (BJT) è una tecnica di fabbricazione additiva non basata sulla fusione. Consiste nella deposizione selettiva di un legante liquido per unire le particelle di polvere, consentendo così la creazione di semilavorati accurati. Dopo la stampa, le parti prodotte devono essere polimerizzate in un forno, per consentirne la manipolazione e la rimozione della polvere in eccesso. Infine, la densificazione è ottenuta attraverso una fase di sinterizzazione. I principali vantaggi della BJT sono rappresentati dalla possibilità di lavorare un'ampia gamma di materiali e dalla possibilità di scalare verso grandi volumi di produzione. In questo lavoro di tesi, si è cercato di ottimizzare i principali parametri di stampa (saturazione del legante, tempo di infiltrazione, tempo di asciugatura e temperatura del letto di stampa) della polvere di niobato di sodio e potassio (KNN), per migliorare l'accuratezza e la precisione dei verdi. La scelta di questo materiale è dovuta al crescente interesse per i materiali senza piombo, a causa delle normative che limitano l'uso del piombo-zirconato di titanio (PZT). La procedura di ottimizzazione è stata condotta utilizzando il metodo statistico di Taguchi. È stato utilizzato un reticolo ortogonale L9 con quattro fattori a tre livelli ciascuno. L'analisi della varianza delle deviazioni standard medie e la level average analysis (LAA) hanno mostrato una grande influenza della saturazione del legante, del tempo di asciugatura e della temperatura del letto di stampa sull'accuratezza e la precisione dei pezzi verdi. Sono state condotte analisi dimensionali e caratterizzazione piezoelettrica dei sinterizzati. I risultati mostrano una densità relativa più elevata (> 80%) per le parti stampate con una minore saturazione di legante, nonostante i risultati opposti ottenuti per le parti verdi. Le proprietà piezoelettriche, invece, mostrano un comportamento più complesso. Sembra che una stampa più "umida", quindi con una maggiore infiltrazione di legante per un tempo più lungo, porti a risultati migliori per Qm, g33 e di conseguenza anche FOM1 e FOM33, mentre i valori per ε33T sono più bassi. Il d33, invece, non sembra avere una forte correlazione né con la densità né con i parametri di stampa. Sono stati valutati gli effetti di un processo di doppia sinterizzazione e i risultati mostrano che esso è dannoso per la densità, mentre non apporta alcun beneficio alle proprietà piezoelettriche.