Stampa 3D di ceramici strutturati bioinspired: sintesi delle polveri, processo e caratterizzazione = 3D printing of bioinspired textured ceramics: powders synthesis, processing and characterization.

In natura sono presenti parti del mondo animale e vegetale che esibiscono notevoli proprietà meccaniche non solo in virtù della chimica dei materiali di cui sono costituite, ma anche in funzione della loro organizzazione strutturale e composizionale. Si parla infatti di strutture individuabili alla micro- e alla nanoscala. L'ostrica, per esempio, grazie alla distribuzione ordinata nel proprio guscio di platelets di aragonite (tenuti insieme da una matrice organica in una cosiddetta struttura brick-and-mortar), presenta elevate proprietà meccaniche, soprattutto in termini di tenacità a frattura, maggiori rispetto al solo materiale non strutturato. Infatti, nonostante l’aragonite sia un materiale ceramico, non comporta una bassa tenacità a frattura dell'ostrica, come ci si aspetterebbe in condizioni standard, ma grazie alla strutturazione brick-and-mortar, permette un significativo miglioramento delle proprietà meccaniche. Nel presente lavoro di tesi, è stata quindi valutata la fattibilità di ottenere un materiale ceramico strutturato in allumina grazie all'impiego della stampa 3D, in particolare della tecnologia Digital Light Processing (DLP). Più nel dettaglio, è stata utilizzata una polvere di allumina, miscelata a dei platelets anch'essi di allumina su cui è stata depositata dell'allumina micro e submicrometrica tramite una sintesi di tipo gel-combustion. Questo processo ha permesso di migliorare la sinterabilità della formulazione aumentando la densità e le proprietà meccaniche dei campioni stampati. La strutturazione degli oggetti stampati è stata garantita dagli sforzi di taglio esercitati da un doctor blade durante il processo di stampa. Le proprietà fisiche, microstrutturali, meccaniche nonché l'orientazione sono state investigate al variare della composizione e della temperatura di sinterizzazione tramite analisi di densità, micrografie FESEM, prove di flessione e XRD, rispettivamente. Dopo una prima fase di ottimizzazione della sintesi e delle formulazioni fotopolimerizzabili, lo studio si è concentrato sulle miscele contenenti il 74 ed il 78% in peso di carica ceramica, di cui il 50% di platelets ed il 50% di allumina (metà da sintesi e metà già formata). Una volta settati opportunamente i parametri di stampa (in particolare LED power e tempo di esposizione) si è passati alla produzione di barrette rettangolari, successivamente sottoposte a processi di water e thermal debinding ed infine alla loro sinterizzazione (a 1600°C e 1650°C per 3h). I campioni sinterizzati sono stati testati ottenendo valori di densità che migliorano all'aumentare del carico solido (fino a raggiungere un 95% rispetto alla densità teorica) ed un fattore di orientazione notevolmente maggiore nei campioni stampati (quasi il 100%) rispetto ai campioni pressati (circa 45%), indipendentemente dalla temperatura di sinterizzazione. L’aumento della temperatura di sinterizzazione (da 1600 °C a 1650 °C) ha determinato invece solo un leggero incremento della densità. Con il presente studio si è quindi dimostrata la fattibilità di ottenere materiali ceramici strutturati a base allumina, utilizzando un processo di stampa 3D. In futuro, potranno essere studiate nuove composizioni e poi si potrà passare alla produzione di geometrie più complesse, non ottenibili con tecniche di formatura tradizionali.