Publicado 05/07/2023

Zetamix em laboratório: sinterização por micro-ondas

Atualidade

A sinterização pode se referir a um processo de fabricação que envolve a compactação e aquecimento de materiais em pó para formar uma massa sólida. Na impressão 3D, no entanto (especialmente com filamentos metálicos ou cerâmicos), a palavra sinterização também se refere a pós-sinterização - uma etapa adicional necessária para conferir às peças impressas em 3D suas propriedades mecânicas finais. Nesse contexto, a sinterização geralmente segue a desligação (remoção do polímero de ligação) e envolve o aquecimento da peça impressa em 3D a uma temperatura abaixo do ponto de fusão do material, a fim de eliminar qualquer vazio ou porosidade. As partículas metálicas ou cerâmicas se fundem, reduzindo a porosidade e aumentando a densidade e a resistência da peça. O processo de sinterização é geralmente realizado em um ambiente controlado, como um forno ou equipamento de sinterização especializado.

Uma peça colocada em um forno de sinterização

Imagem 1: Uma peça colocada em um forno de sinterização. Fonte: Zetamix.

Existem vários métodos de sinterização, como sinterização convencional (sinterização em estado sólido), sinterização sem pressão, prensagem isostática a quente (HIP), sinterização por plasma de faísca (SPS), sinterização assistida por campo elétrico e sinterização por micro-ondas. Este último utiliza radiação de micro-ondas para aquecer rapidamente e uniformemente o material. As ondas eletromagnéticas interagem diretamente com o material, gerando calor por meio de excitação molecular. A sinterização por micro-ondas pode reduzir o tempo de processamento, permitir uma sinterização energeticamente eficiente e é frequentemente utilizada para cerâmicas e alguns pós metálicos.

Sinterização por micro-ondas versus sinterização convencional

Existem várias diferenças que distinguem a sinterização convencional da sinterização por micro-ondas:

  • Métodos de aquecimento: na sinterização convencional, o calor é gerado principalmente por elementos de aquecimento externos e depois transferido para o material por condução. Em contraste, a sinterização por micro-ondas utiliza ondas eletromagnéticas para excitar diretamente as moléculas do material usando suas propriedades dielétricas. As ondas eletromagnéticas penetram no material, causando um aquecimento rápido e volumétrico de dentro para fora.
  • Taxa de aquecimento e tempo: ao contrário do aquecimento radiativo convencional, que pode levar horas ou até dias, a sinterização por micro-ondas alcança os resultados desejados em apenas alguns minutos por meio do aquecimento volumétrico.
  • Uniformidade de temperatura: a sinterização por micro-ondas pode proporcionar uma distribuição de temperatura mais uniforme, pois a energia de micro-ondas é absorvida de maneira mais uniforme pelo material, resultando em gradientes térmicos reduzidos e uniformidade de temperatura aprimorada.
  • Eficiência energética: a sinterização por micro-ondas é geralmente mais eficiente em termos de energia do que a sinterização convencional. Como as micro-ondas aquecem diretamente o material, há menos perda de energia por condução e radiação. Essa eficiência pode contribuir para a redução do consumo de energia e dos custos de sinterização.
  • Porosidade e microestrutura: o aquecimento rápido e os tempos de processamento mais curtos na sinterização por micro-ondas podem afetar o tamanho, distribuição e morfologia dos poros no material.
  • Aplicabilidade: a sinterização por micro-ondas, embora também aplicável a metais, cerâmicas e compósitos, é particularmente vantajosa para materiais que apresentam perdas dielétricas altas e respondem bem ao aquecimento por micro-ondas.

Design da célula de sinterização

Imagem 2: Design da célula de sinterização. Fonte: Zetamix.

o uso de suscetores, especialmente quando o material sinterizado apresenta baixas perdas dielétricas ou precisa de maior eficiência de aquecimento e uniformidade de temperatura. Os suscetores são materiais escolhidos especificamente por sua capacidade de absorver energia de micro-ondas e convertê-la em calor. Eles são estrategicamente colocados dentro do sistema de sinterização para aprimorar o processo de aquecimento. Os suscetores são geralmente materiais com altas perdas dielétricas, ou seja, possuem alta capacidade de absorção e dissipação de radiação de micro-ondas. Materiais comumente usados como suscetores incluem grafite, carbeto de silício, nitreto de boro e certos óxidos metálicos.

O experimento

Zircônia, também conhecida como dióxido de zircônio ou óxido de zircônio (ZrO2), não é comumente utilizada como suscetor devido às suas perdas dielétricas relativamente baixas e baixa absorção de energia de micro-ondas. No entanto, o laboratório francês CRISMAT, especializado em cristalografia e ciências dos materiais, decidiu usar o filamento Zetamix White Zirconia para imprimir em 3D e testar susceptores de zircônia para sinterização por micro-ondas.

O projeto, desenvolvido sob a tripla supervisão do CNRS, ENSICAEN e da Universidade de Caen Normandia, investiga a síntese e a otimização das propriedades funcionais e estruturais de materiais cerâmicos, além do aprimoramento da sinterização e do desenvolvimento de processos inovadores de moldagem.

A tecnologia específica utilizada é a sinterização flash por micro-ondas, também conhecida como sinterização por plasma de faísca (SPS). Essa técnica avançada de sinterização combina os benefícios do aquecimento por micro-ondas e da sinterização assistida por campo elétrico. É um método rápido e eficiente utilizado para densificar pós em materiais sólidos, normalmente cerâmicas, metais ou compósitos, com propriedades aprimoradas.

Fabricação aditiva e Zetamix para o resgate

Para que a sinterização flash por micro-ondas seja realizada, o material precisa passar por densificação completa em menos de 60 segundos. Alcançar a temperatura e as taxas de aquecimento necessárias requer um controle preciso dos gradientes térmicos. Para resolver isso, o laboratório desenvolveu uma estratégia em cascata envolvendo dois materiais suscetores diferentes: carbeto de silício (SiC) e zircônia (ZrO2).

Ponto quente sem suscetor vs aquecimento homogêneo com suscetores impressos

Imagem 3: Ponto quente sem suscetor vs aquecimento homogêneo com suscetores impressos. Fonte: Zetamix.

O processo é o seguinte: começa com o aquecimento por micro-ondas das placas de SiC, que posteriormente transferem calor para os blocos e cilindros de zircônia. Essa transferência sequencial de calor permite a sinterização rápida de qualquer material em poucos segundos. No entanto, esse processo pode ser altamente exigente, potencialmente resultando em danos à amostra devido a gradientes térmicos. Para mitigar esse problema e minimizar os efeitos de resfriamento térmico, é crucial que o suscetor de zircônia se encaixe perfeitamente na amostra. Encomendar um cilindro personalizado de fontes externas é extremamente caro, o que levou o laboratório a explorar soluções alternativas, como fabricação aditiva.

Suscetores de zircônia impressos em 3D usando filamento Zetamix

Imagem 4: Suscetores de zircônia impressos em 3D usando filamento Zetamix. Fonte: Zetamix.

Através da integração da flexibilidade e versatilidade de forma proporcionadas pela Fabricação de Filamento Fundido (FFF) e das características únicas dos filamentos Zetamix, o laboratório CRISMAT alcançou com sucesso seus objetivos e produziu suscetores que foram precisamente adaptados para se adequarem à amostra específica para sinterização. Dessa forma, a fabricação aditiva mais uma vez superou a barreira de custo comumente associada à fabricação tradicional e contribuiu para o avanço da ciência.

Comentários(1)

Escrever comentário
    • Avatar
      BOULARD MICHEL oct 21, 2024
      les micro ondes monomode sans impédance avec expertise dans l\'absolu P06 07 05 61 00

Deixar um comentário

Mais opções de envio

Você poderá selecionar a forma de pagamento desejada na próxima etapa do processo de compra.
FedEx Priority WorldwideDAP Incoterm

0,00 € sem IVA
FedEx Economy WorldwideDAP Incoterm

0,00 € sem IVA
DHL Express WorldwideDAP Incoterm

0,00 € sem IVA
Retornar