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Zocca, Andrea (2015) Additive Manufacturing of Porous Ceramic Structures from Preceramic Polymers. [Other] UNSPECIFIED.

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PDF Document (Tesi di dottorato Andrea Zocca) - Accepted Version
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Abstract (english)

This doctoral thesis describes the additive manufacturing of porous structures starting from preceramic mixtures. Preceramic polymers are a class of inorganic polymers which can be converted to a ceramic with high yield. The use of a preceramic polymer has been explored in this work with the double aim of providing the desired ceramic phases and of facilitating the shaping processes.
The work is divided in three parts. In a first project, the powder-based three-dimensional printing technology has been applied to a preceramic polymer powder. Complex porous structures with Kagome and octahedral geometries have been replicated. The preceramic polymer was successively converted to a unique SiOC phase upon heat treatment in inert atmosphere. This approach, in contrast to the use of a ceramic powder, allows an easier shaping and the achievement of relatively higher green densities, due to the dissolution and re-solidification of the polymer in the process. The shaping of fine porous structures is particularly suited to this material because problems related to gas release during the polymer-to-ceramic transformation are limited. In a second project, the same powder-based technology was applied to mixtures of a preceramic polymer and ceramic fillers. In this case, the preceramic polymer acts as a binder for the fillers during the printing process. Upon heat treatment in air, the polymer is converted to silica, which then can be reacted with the fillers in the mixture in order to form silicate ceramic phases. This approach is very versatile and has been used to form apatite-wollastonite bioceramic composites, which have been shaped into porous scaffolds with designed porosity and cylindrical or cubic geometries.
Finally, a different technology, which is an extrusion-based printing, has been applied. In this technique, as opposite to powder-based technologies, the part is not supported during its build-up, therefore a careful tailoring of the ink rheology is necessary in order to create spanning features. In this context, mixtures of a preceramic polymer and fillers were formulated which had a suitable shear-thinning behaviour, with the help of additives. A hardystonite ceramic, which is a bio-silicate phase, was formed upon heat treatment in air. Hardystonite scaffolds with orthogonal pores were successfully shaped by the deposition of fine (< 0.5 mm) filaments.

Abstract (italian)

In questa tesi di dottorato sono descritte tecnologie di manifattura additiva per la realizzazione di strutture porose a partire da miscele preceramiche. I polimeri preceramici sono una classe di polimeri inorganici che possono essere convertiti in un materiale ceramico con una resa elevata.
L’utilizzo di polimeri preceramici è stato studiato con il duplice obiettivo di fornire le fasi ceramiche desiderate e di facilitare i processi di formatura. La descrizione è suddivisa in tre parti. In un progetto iniziale, una tecnologia di stampa 3D a polveri è stata applicata ad una polvere di polimero preceramico. Strutture porose di geometria complessa, quali Kagome od ottaedrica, sono state replicate. Il polimero preceramico è stato successivamente convertito in una speciale fase ceramica SiOC tramite trattamento in atmosfera inerte. Questo approccio, in confronto all’utilizzo di una polvere ceramica, permette di semplificare il processo nonché di ottenere una densità del verde relativamente elevata, grazie alla dissoluzione e solidificazione del polimero. Inoltre, la scelta di strutture porose è particolarmente adatta a questo materiale, in quanto i problemi relativi allo sviluppo di gas, che questo materiale rilascia durante il trattamento, vengono limitati.
In un secondo progetto, la stessa tecnologia a polveri è stata applicate a miscele di un polimero preceramico e filler. In questo caso, il ruolo del polimero preceramico è quello di un legante per i filler durante il processo di stampa. Tramite trattamento termico, il polimero viene convertito in silice, che può successivamente reagire con i filler per formare fasi silicatiche. Questo approccio è molto versatile ed è stato utilizzato per formare compositi bioceramici apatite-wollastonite, i quali sono stati replicati in varie forme di scaffolds porosi, con geometria cubica o cilindrica.
Infine, è stata utilizzata una tecnologia di stampa ad estrusione di filamento. Contrariamente alle tecnologie a polveri, in questo caso la parte da costruire non è supportata da altro materiale, pertanto uno studio della reologie delle paste ceramiche è essenziale per creare strutture non supportate tra due appoggi. In questo contesto, diverse miscele di un polimero preceramico e filler sono state formulate in modo da ottenere un comportamento pseupoplastico, grazie all’aggiunta di additivi adatti allo scopo. Una fase di hardystonite, che è un bio-silicato, viene formata tramite trattamento termico in aria. Scaffolds di hardystonite con pori ortogonali sono stati creati tramite la deposizione di filamenti sottili (diametro < 0.5 mm).

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EPrint type:Other
Anno di Pubblicazione:26 April 2015
Key Words:additive manufacturing; porous ceramics; preceramic polymers.
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/22 Scienza e tecnologia dei materiali
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Industriale
Codice ID:9608
Depositato il:22 Mar 2016 09:45
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