Manufatura aditiva de pastas cerâmicas à base de argilas e fibras naturais via robocasting

Abstract

Robocasting é uma técnica de manufatura aditiva que utiliza uma extrusora controlada numericamente para imprimir objetos em 3D, camada por camada. Um material pastoso é extrudado através de um bocal em uma superfície de construção de forma ininterrupta. Essa técnica é amplamente utilizada em áreas como a produção de cerâmica tradicional e avançada, eletrônica e próteses médicas, permitindo a criação de estruturas complexas com alta precisão e controle microestrutural. O uso da técnica tem sido ampliado cada vez mais com os avanços dos estudos e sua aplicação em diversas áreas. Como resultado, seus limites de utilização também vêm sendo ampliados. Neste contexto, o presente estudo tem como objetivo avaliar matérias-primas naturais a fim de expandir os limites da manufatura aditiva por extrusão de materiais. Para tal, foi utilizado metacaulim, bentonita, fibra de bagaço de cana de açúcar e água como matérias-primas. Essas matérias-primas foram inicialmente caracterizadas para levantar as suas características químicas (por fluorescência de raios X), mineralógicas (por difração de raios X) e morfológicas (por microscopia eletrônica de varredura). Na sequência, combinações diversas destes materiais foram preparadas, homogeneizadas mecanicamente (210 rpm), e testadas para otimização das proporções, primeiro alterando-se o teor de água (de 30% a 50% em massa), em segundo o teor de bentonita (de 0% a 5% em massa) e, por fim, o teor de fibra (de 0% a 2% em massa). As misturas produzidas na forma de pastas cerâmicas foram submetidas a ensaios reológicos para determinação da tensão de escoamento (por reometria rotacional estacionária) e do limite de plasticidade (por ensaio de Casagrande) para determinação da trabalhabilidade da pasta. Feito isso, componentes com diferentes geometrias foram produzidos por impressão 3D e avaliados quanto a retração linear de secagem, edificabilidade ou capacidade de sobreposição de camadas, e resistência à compressão. Os resultados mostram que o uso da bentonita (a partir de 4%m) foi fundamental para a viabilidade da impressão do metacaulim, devido a sua baixa plasticidade. A razão de líquido/sólido a qual a pasta é trabalhável deve estar entre 0,72 e 0,85, que equivale a 42% e 46% em massa de água, respectivamente. Observou-se também que o uso da fibra melhorou substancialmente a resistência à compressão em até 74%, porém influenciou negativamente na retração linear, que aumentou até 13,1%.

Abstract: Robocasting is an additive manufacturing technique that uses a numerically controlled extruder to 3D print objects layer by layer. A paste-like material is extruded through a nozzle onto a build surface in a continuous manner. This technique is widely used in areas such as traditional and advanced ceramics production, electronics, and medical prosthetics, enabling the creation of complex structures with high precision and microstructural control. The use of this technique has been expanding with advancements in research and its application in various fields. As a result, the limits of its utilization have also been extended. In this context, the present study aims to evaluate natural raw materials in order to expand the limits of additive manufacturing by material extrusion. Metakaolin, bentonite, sugarcane bagasse fiber, and water were used as raw materials for this purpose. These raw materials were initially characterized to determine their chemical properties (using X-ray fluorescence), mineralogical properties (using X-ray diffraction), and morphological properties (using scanning electron microscopy). Subsequently, various combinations of these materials were prepared, mechanically homogenized (210 rpm), and tested to optimize the proportions. Firstly, the water content was varied (from 30% to 50% by weight), followed by the bentonite content (from 0% to 5% by weight), and finally the fiber content (from 0% to 2% by weight). The produced ceramic paste mixtures were subjected to rheological tests to determine the flow stress (using steady-state rotational rheometry) and plasticity limit (using the Casagrande method) to assess the workability of the paste. After that, components with different geometries were 3D printed and evaluated for linear drying shrinkage, buildability or layer overlap capability, and compressive strength. The results showed that the use of bentonite (starting from 4% by weight) was crucial for the printability of metakaolin due to its low plasticity. The liquid-to-solid ratio in which the paste is workable should be between 0.72 and 0.85, which corresponds to 42% and 46% by weight of water, respectively. It was also observed that the use of fiber substantially improved compressive strength by up to 74%, but negatively influenced linear shrinkage, which increased by up to 13.1%.