Analisi non distruttiva delle proprietà meccaniche di materiali ceramici a geometria complessa
Creators: name: Pirovano, Clara
Publisher: name: Scuola Universitaria della Svizzera Italiana (SUPSI)
Year: 2024
Subjects: elastic properties
ceramic

description: Il progetto si focalizza sull'analisi delle proprietà elastiche di campioni ceramici mediante la tecnica innovativa della Impulse Excitation Technique (IET), un metodo non distruttivo che consente misurazioni precise senza compromettere l'integrità dei materiali. L'utilizzo della IET è specifico per i materiali ceramici, noti per la loro limitata deformazione elastica, che rende difficoltosa l'analisi delle loro proprietà con i metodi distruttivi tradizionali. I campioni studiati sono stati realizzati tramite tecniche di additive manufacturing, in particolare la stereolitografia (SLA) e il selective laser sintering (SLS). I campioni con un diametro di 30 mm e uno spessore di 3 mm sono stati prodotti con standard rigorosi per garantire l'accuratezza necessaria nelle fasi successive di caratterizzazione ed analisi. Una volta prodotti, i campioni sono stati caratterizzati secondo la norma ASTM 1876-22 e sottoposti a test con la tecnica IET in due momenti distinti: prima dei trattamenti termici, quando i campioni si trovano ancora nella fase di corpi verdi (ovvero prima della rimozione della componente polimerica), e dopo tali trattamenti. Questa doppia caratterizzazione è stata in particolare significativa per i campioni prodotti con SLA, al fine di verificare eventuali correlazioni tra le proprietà dei corpi verdi e quelle dei dischetti sinterizzati. Per i campioni realizzati mediante SLS, l'interesse principale riguarda il confronto tra le proprietà dei corpi verdi e quelle dei dischetti pirolizzati. A differenza dei campioni SLA, i corpi verdi ottenuti con SLS sono composti unicamente da materiale polimerico, PA11, prima dei trattamenti termici, ciò rende difficoltosa una correlazione diretta tra questa fase e i prodotti finali. Tuttavia, il confronto con i dischetti pirolizzati è cruciale per valutare la resa del SiOC (ossicarburo di silicio), liquido preceramico infiltrante. Questa resa viene valutata con il confronto tra la porosità dei corpi verdi, pari al 58%, e quella dei dischetti sinterizzati al primo ciclo di PIP, pari al 62%. Per i dischetti realizzati mediante SLA, è stato ottenuto un modulo elastico medio di 6 GPa, con una limitata dispersione dei risultati. Al contrario, i dischetti realizzati con SLS hanno mostrato valori molto variabili a causa della differente quantità di difetti tipici di questo processo produttivo come cricche, delaminazioni e bolle superficiali. Dopo l’analisi non distruttiva, è stata effettuata un'analisi distruttiva tramite il test ball on three balls (B3B), che ha permesso di determinare il carico a rottura dei singoli campioni. L'analisi dei dati si è concentrata sulla correlazione tra diversi parametri quali: damping, densità, modulo elastico e carico a rottura. Una stretta correlazione tra questi valori consente di ottenere una maggiore coerenza nei risultati, e permette di dedurre gli altri parametri da uno solo. Questo metodo riduce la necessità di analisi distruttive, ed ottimizza, così, il processo di caratterizzazione dei materiali. ____ The project focuses on the analysis of the elastic properties of ceramic samples using the innovative Impulse Excitation Technique (IET), a non-destructive method that allows for precise measurements without compromising the integrity of the materials. The use of IET is specifically tailored for ceramic materials, which are known for their limited elastic deformation, making the analysis of their properties challenging with traditional destructive methods. The studied samples were produced using additive manufacturing techniques, specifically stereolithography (SLA) and selective laser sintering (SLS). The specimens, with a diameter of 30 mm and a thickness of 3 mm, were produced under strict standards to ensure the necessary accuracy for subsequent characterization and analysis phases. Once produced, the samples were characterized according to the ASTM 1876-22 standard and subjected to tests using the IET technique at two distinct stages: before thermal treatments, when the samples are still in the green body phase (i.e., before the removal of the polymer component), and after these treatments. This double characterization was particularly significant for the samples produced with SLA, to verify possible correlations between the properties of the green bodies and those of the sintered disks. For the samples made with SLS, the primary interest lies in comparing the properties of the green bodies with those of the pyrolyzed disks. Unlike the SLA samples, the green bodies obtained with SLS consist solely of polymeric material before thermal treatments, making a direct correlation between this phase and the final products challenging. However, the comparison with the pyrolyzed disks is crucial for evaluating the yield of SiOC (silicon oxycarbide), a pre-ceramic infiltrating liquid. This yield is assessed by comparing the porosity of the green bodies, which is 58%, with that of the sintered disks after the first PIP cycle, which is 62%. For the disks made by SLA, an average elastic modulus of 6 GPa was obtained, with limited dispersion of the results. In contrast, the disks made with SLS showed highly variable values due to the different amounts of defects such as cracks, delaminations, and surface bubbles. Following the non-destructive analysis, a destructive analysis was performed using the ball on three balls (B3B) test, which allowed for the determination of the breaking load of the individual samples. The data analysis focused on the correlation between various parameters such as damping, density, elastic modulus, and breaking load. A close correlation between these values ensures greater consistency in the results and allows for the deduction of other parameters from just one. This method reduces the need for destructive analysis, thereby optimizing the material characterization process.