Colloidal approach to fabricate high-loaded feedstocks for material extrusion of dense sintered Al₂O₃ structures for biomedical applications

• Caterina Chirico ^[1] ; Ana Ferrández-Montero ^[1] ; Álvaro Eguiluz ^[1] ; Pablo Ortega-Columbrans ^[2] ; Antonio Javier Sánchez-Herencia ^[1] ; Begoña Ferrari ^[1]
  1. [1] Instituto de Cerámica y Vidrio

     Instituto de Cerámica y Vidrio

     Madrid, España

     
  2. [2] Universidad Rey Juan Carlos

     Universidad Rey Juan Carlos

     Madrid, España

     
• Localización: Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio, ISSN 0366-3175, Vol. 64, Nº. 2, 2025, págs. 102-121
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Procesamiento coloidal de feedstocks con alto contenido de sólidos para impresión 3D por extrusión térmica de estructuras densas de Al₂O₃ para aplicaciones biomédicas
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• Resumen
  • español

    La fabricación por filamento fundido (FFF) es una de las tecnologías de fabricación aditiva más competitivas que permite la personalización de componentes para varios sectores. Su aplicación en el ámbito cerámico crece rápidamente, desarrollando compuestos de alta carga inorgánica en varios sistemas aglutinantes que, después del proceso de impresión, se eliminan mediante un proceso de debinding en dos pasos. En este trabajo, se han producido nuevos gránulos y filamentos de Al₂O₃ utilizando un sistema aglutinante de dos componentes, que consiste en ácido poliláctico (PLA) y policaprolactona (PCL). La materia prima de Al₂O₃ se imprime mediante FFF obteniendo estructuras 3D complejas y, después de un ciclo térmico de debinding y sinterización en un solo paso, se obtienen componentes 100% de Al₂O₃ con una densidad relativa del 96%. El proceso de mezclado está basado en el uso de rutas coloidales donde la modificación de la superficie de las partículas cerámicas mejora su interacción con el aglutinante. Esta mejora permite aumentar la carga cerámica en el compuesto hasta un 48% en volumen. Finalmente se midió la reología en fundido oscilatoria para simular el proceso de impresión. La incorporación del 25% vol de PCL en el aglutinante es suficiente para modificar el flujo del compuesto fundido, ampliando la zona plástica donde los compuestos de Al₂O₃ tienen las características adecuadas para fluir a través de la boquilla y construir estructuras 3D con compuestos de alta carga.

  • English

    Fused filament fabrication (FFF) is one of the most competitive additive manufacturing technologies which allow easy component customization for several sectors. Its application to the ceramic field is rapidly growing addressed by formulating high-loading composites in several binder systems which after the printing process, they are removed by a two-step debinding process. In this work, new granules and filaments of Al₂O₃ have been produced using a two-component binder system, consisting of polylactic acid (PLA) and polycaprolactone (PCL). Al₂O₃ feedstock is printed by FFF obtaining complex 3D structures and after a thermal one-step debinding and sintering cycle 100% Al₂O₃ components is obtained with a relative density of 96%. The mixing process is based on a colloidal route where the ceramic particle surface modification improves its interaction with the binder. This improvement brings the possibility to increase the ceramic load in the composite up to 48 vol.%. Oscillatory melting rheology was measured to simulate the printing process. The incorporation of 25 vol.% PCL in binder is enough to modify the flow of the melt composite, enlarging the plastic solid-like flow where the Al₂O₃ composites are suitable to flow through the nozzle, and build adequate 3D structures using high-loaded feedstocks.