Le ceramiche tecniche per l’Additive Manufacturing

Se la prima cosa che viene in mente quando si pensa alla ceramica è forse la porcellana e la sua fragilità, ebbene le ceramiche tecniche sono tutt’altro che fragili: sono tra i materiali più forti e resistenti presenti sul pianeta. Divise in due categorie, ossidiche e non ossidiche, la differenza principale è che quelle ossidiche contengono almeno un atomo di ossigeno combinato con un altro elemento. In particolare, le ceramiche non ossidiche hanno una migliore conducibilità elettrica e un maggior grado di durezza, mentre le ceramiche ossidiche sono più facili da fondere e sinterizzare, il che ne facilita l’uso nella produzione. Non sorprende che queste ceramiche tecniche possano essere utilizzate nella stampa 3D in diverse forme, tra cui filamenti, pellet, polvere e resina. Nell’elenco che segue, vediamo quali sono le principali ceramiche avanzate compatibili con l’Additive Manufacturing (escludendo altri materiali ceramici comunemente usati come l’argilla). Queste sono sempre più utilizzate per applicazioni in tutti i settori, da quello aerospaziale e della difesa a quello automobilistico e persino biomedico.

 Le ceramiche tecniche ossidiche

Ossido di alluminio (allumina)

Le ceramiche di ossido di alluminio, compatibili con la stampa 3D, offrono un’ampia gamma di applicazioni. Con una temperatura di fusione superiore a 2000°C, è altamente resistente alle alte temperature e agli shock termici. L’ossido di alluminio viene scelto per la sua notevole durezza, che lo colloca subito dopo il diamante come materiale naturale più duro. È apprezzato anche per la sua resistenza alla corrosione e alle alte temperature, per le sue proprietà di isolamento elettrico e conduzione termica e per la sua biocompatibilità. È utilizzato in applicazioni importanti come l’elettronica (isolanti), le protesi biomediche, gli utensili da taglio e nel settore aerospaziale.

Crediti foto: Umicore

Ossido di zirconio (zirconia)

L’ossido di zirconio, nache noto come zirconia, ha notevoli proprietà meccaniche sia a basse che ad alte temperature. Con una conducibilità termica relativamente bassa a temperatura ambiente, questo materiale mostra notevoli qualità quando è esposto a condizioni estreme. A temperature superiori a 1000°C, l’ossido di zirconio diventa un eccellente conduttore elettrico. L’elevata durezza, la resistenza all’usura, l’inerzia chimica e la capacità di resistere all’attacco dei metalli ne fanno un materiale scelto per una varietà di applicazioni, tra cui gioielli, dispositivi biomedici, impianti biomedici (in particolare impianti dentali) e apparecchiature elettroniche.

Créediti foto: 3DCeram

Cordierite

La cordierite è un minerale basati su silicati di magnesio e alluminio, prodotto dalla sinterizzazione di steatite o talco, con l’aggiunta di argilla, caolino, chamotte, corindone e mullite. La ceramica cordierite è utilizzata principalmente nell’industria aerospaziale per le parti ottiche, ma anche nella tecnologia di riscaldamento elettrico. Ad esempio, i corpi isolanti, i supporti per i conduttori di riscaldamento o gli inserti per i bruciatori a gas sono realizzati in cordierite. Hanno un basso coefficiente di espansione e sono quindi molto resistenti alle variazioni di temperatura. La cordierite è anche resistente all’usura, ha una buona resistenza meccanica e una bassa conducibilità termica. Si distingue tra cordierite porosa e densa. Rispetto alla versione densa, la cordierite porosa ha una minore resistenza alla flessione, ma una maggiore resistenza agli shock termici.

Crediti foto: Keramikverband

Idrossiapatite 

L’idrossiapatite può essere definita come un materiale bioceramico. Si tratta di un minerale facente parte del gruppo delle apatiti, ed è anche uno dei componenti principali delle ossa. Viene difatti utilizzata nella stampa 3D, e con altre tecnologie, nel settore biomedicale per la ricostruzione ossea. L’idrossiapatite è anche un materiale bioattivo, ovvero capace di formare legami chimici diretti con il tessuto osseo e con tessuti molli di organismi viventi. Ciò lo rende particolarmente interessante poiché gli impianti in idrossiapatite sono riassorbibili, e quindi non vanno più rimossi dal corpo dopo l’impianto. La stampa 3D di idrossiapatite trova principalmente applicazione nella produzione, tra gli altri, di impianti cranici, spinali e ortopedici.  

Crediti foto: 3DCERAM 

Ossido di zirconio e allumina (ZTA/ATZ)

L’allumina, o ossido di alluminio, svolge un ruolo fondamentale nella composizione di argille e smalti. D’altra parte, lo zircone si distingue come gemma particolarmente resistente. La combinazione di allumina temprata e ossido di zirconio crea un materiale ceramico eccezionale, con applicazioni chiave sia nell’industria che nella biomedicina. L’allumina rinforzata è particolarmente adatta al settore biomedico, in particolare all’odontoiatria, grazie alla sua notevole durezza e resistenza misurata sulla scala Mohs. La sua elevata biocompatibilità, la resistenza all’usura e agli shock termici la rendono una scelta ideale per applicazioni dentali come impianti orali, parti dentali e componenti resistenti all’usura.

Crediti foto: CHEMCO

 Le ceramiche tecniche non ossidiche

Il carburo di boro (B4C) è un materiale rinomato per la sua durezza: è uno dei materiali più duri al mondo, dopo il diamante e il nitruro di boro cubico. Questa ceramica ha un’eccellente resistenza all’usura, alla compressione e al calore, una bassa densità e una bassa conducibilità termica. Sarà utilizzato principalmente per applicazioni aerospaziali (produzione di ugelli), applicazioni nucleari o nella produzione di armature come gilet antiproiettile o carri armati. Nella produzione additiva, non è la ceramica più utilizzata, ma si può trovare in forma di filamento – dove il carburo di boro è in realtà mescolato con un polimero – o anche in forma granulare.

Carburo di boro Fiven B4C (crediti fotografici: Fiven)

Nitruro di silicio

Il nitruro di silicio è una delle ceramiche tecniche più interessanti per l’Additive Manufacturing. È una ceramica che si trova in natura sotto forma di minerale (nierite, presente in alcuni meteoriti). Può anche essere ottenuto riscaldando la polvere di silicio in atmosfera di azoto a 1400°C. In termini di proprietà, il nitruro di silicio è altamente resistente all’abrasione, alla corrosione e alla scagliatura. Oltre a essere un materiale ideale per creare parti leggere e dimensionalmente stabili, è un buon isolante elettrico e ha una bassa bagnabilità rispetto ai metalli fusi. Utilizzata in combinazione con la produzione additiva, questa ceramica tecnica può essere impiegata in un’ampia gamma di settori. Tra le sue applicazioni più importanti vi sono la creazione di semiconduttori, componenti di valvole e pompe e tubi di riscaldamento.

Crediti foto: UBE Corporation

Nitruro di alluminio

Il nitruro di alluminio (AlN) è una combinazione chimica di alluminio e azoto, popolare come materiale per la ceramica tecnica. Le sue proprietà includono un’elevata conducibilità termica, un efficiente isolamento elettrico e un’apprezzabile resistenza meccanica. Queste caratteristiche ne fanno una scelta privilegiata nell’industria elettronica, in particolare nel campo della microelettronica. Il nitruro di alluminio è spesso utilizzato nella costruzione di semiconduttori e di dissipatori di calore nella tecnologia LED. Un ulteriore vantaggio è la resistenza al plasma e la sua lavorazione è innocua per la salute.

Crediti foto: 3DCeram

Carburo di silicio

Il carburo di silicio, noto con vari nomi come carborundum o carburundum, è un composto estremamente resistente. Sebbene la sua composizione sia simile a quella del diamante, cosa che potrebbe sembrare improbabile date le differenze di dimensioni tra il carbonio (C) e il silicio (Si) in questo composto, esiste un’ampia gamma di derivati del carburo di silicio. Alcuni sono sinterizzati o ricristallizzati, ma condividono proprietà comuni che li rendono ceramiche notevoli. Queste ceramiche si distinguono per l’eccellente resistenza agli shock termici e all’usura, nonostante l’elevata conduttività termica. Grazie all’eccezionale resistenza alla corrosione, all’elevata durezza e alle proprietà meccaniche alle alte temperature, il carburo di silicio è un composito ideale per l’industria automobilistica ed energetica. Le sue applicazioni principali includono la produzione di parti per sistemi di riscaldamento, veicoli elettrici e stazioni di ricarica per veicoli elettrici.

Crediti foto: Arrow.com

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