La manufactura additiva és un mètode de fabricació que ha agafat gran importància al llarg dels
darrers anys. Amb l'avantatge de poder crear peces amb geometries complexes juntament amb
millores recents en l'eficiència a l'hora de fabricar-les, han fet que un gran nombre de sectors les
utilitzen, destacant prototipatge i disseny i investigació. La flexibilitat del mètode també abasta
l'àmbit dels materials, permetent la utilització de materials polimèrics, metàl·lics o ceràmics.
Aquests últims es beneficien molt d'aquest mètode de producció ja que el seu cost de producció
disminueix en comparació al dels mètodes convencionals.
Pel que fa a fonts d'energia noves, l'ús d'hidrogen com a combustible és un estudi que continua en
marxa. Una de les vies de recerca sobre l'obtenció d'aquest combustible planteja la reforma de
l'etanol mitjançant l'ús de catalitzadors, que poden estar fets de diversos materials. La zircònia és
un dels materials que mostren bons resultats per a aquest ús però, com que aquestes peces sovint
requerien geometries complexes, l'ús d'aquest material es veia reduït. Aquí entra la manufactura
additiva esmentada anteriorment, concretament la tècnica coneguda com a “Direct Ink Writing”,
que augmenta la viabilitat de la zircònia per a aquest ús.
L'avantatge de la utilització de la zircònia com a catalitzador ve donat per les seves bones propietats
mecàniques en termes de resistència i duresa que el fan un candidat interessant per a ser utilitzat
com a suport. En aquest sentit, en el present projecte es durà a terme una primera part d'estudi
per a la fabricació de catalitzadors base zircònia pel que fa referència a les etapes d'impressió,
d'assecat i de sinterització.
La segona part del treball està dirigida a la funcionalització de la superfície de les mostres impreses.
Aquesta segona etapa es proposa en el projecte per tal de millorar així, l'activitat catalítica de la
zircònia la qual, és molt inferior en comparació a altres materials ceràmics. En concret, es proposa
l'addició d'un recobriment ric en cobalt a partir d'un tractament de postprocessat en el que es
parteix d'una sal d'aquest metall. Per fer-ho, s'han estudiat diferents composicions de la dissolució
i determinat les condicions adequades per aconseguir un distribució homogènia d'aquest metall
així com un control de l'espessor.
Els resultats posen de manifest que la presència de zircònia en la dissolució conjuntament amb la
sal de metall a recobrir afavoreix la millor distribució d'aquest en la superfície un cop sinteritzades
les mostres. Per altra banda, també cal ressaltar que la temperatura de sinterització té un efecte
determinant en la qualitat del recobriment. Per a les mostres sinteritzades a 1450 ºC el cobalt queda
principalment dipositat en la superfície del material, mentre que per a temperatures inferiors, 1350
ºC, s'observa la presència de cobalt també en tot el filament.
La manufactura aditiva es un método de fabricación que ha cogido gran importancia a lo largo de
los últimos años. Con la ventaja de poder crear piezas con geometrías complejas y mejoras recientes
en la eficiencia al fabricarlas, han hecho que muchos sectores las utilicen, destacando prototipado
y diseño e investigación. La flexibilidad del método también abarca el ámbito de los materiales,
permitiendo la utilización de materiales poliméricos, metálicos o cerámicos. Estos últimos se
benefician en gran medida de este método de producción ya que su coste de producción disminuye
en comparación al de los métodos convencionales.
En cuanto a fuentes de energía nuevas, el uso de hidrógeno como combustible es un estudio que
continúa en marcha. Una de las vías de investigación sobre la obtención de este combustible
plantea la reforma del etanol mediante el uso de catalizadores, que pueden estar hechos de
diversos materiales. La circona es uno de los materiales que muestran buenos resultados para este
uso, pero como estas piezas a menudo requerían geometrías complejas, el uso de este material se
veía reducido. Aquí entra la manufactura aditiva mencionada anteriormente, concretamente la
técnica conocida como Direct Ink Writing, que aumenta la viabilidad de la circona para este uso.
La ventaja del uso de la circona como catalizador viene dada por sus buenas propiedades mecánicas
en cuanto a resistencia y dureza, que lo hacen un candidato interesante para usarse como soporte.
En este proyecto se hará una primera parte de estudio para fabricar catalizadores base circona
centrado en las etapas de impresión, secado y sinterización.
La segunda parte del trabajo está dirigida a la funcionalización de la superficie de las muestras
impresas. Esta segunda etapa se propone en el proyecto con el fin de mejorar así la actividad
catalítica de la circona, la cual es muy inferior en comparación a otros materiales cerámicos. En
concreto, se propone la adición de un recubrimiento rico en cobalto a partir de un tratamiento de
postprocesado en el que se parte de una sal de este metal. Para ello, se han estudiado diferentes
composiciones de la disolución y determinado las condiciones adecuadas para conseguir una
distribución homogénea de este metal, así como un control del espesor.
Los resultados muestran que la presencia de circona en la disolución junto con la sal de metal a
recubrir favorece su mejor distribución en la superficie una vez sinterizadas las muestras. Por otro
lado, también hay que resaltar que la temperatura de sinterización tiene un efecto determinante
en la calidad del recubrimiento. Para las muestras sinterizadas a 1450 ºC el cobalto queda
principalmente depositado en la superficie del material, mientras que para temperaturas inferiores,
1350 ºC, se observa la presencia de cobalto también en el resto del filamento.
Additive manufacturing is a production method that has gained great importance in recent years.
With the advantage of being able to create parts with complex geometries along with recent
improvements in efficiency when manufacturing them, they have led to a large number of sectors
using it, highlighting prototyping & design and research. The flexibility of the method also includes
the variety of materials suitable for this proces, allowing the use of polymeric, metallic or ceramic
materials. The latter benefit greatly from this manufacture method since their production cost
decreases compared to conventional manufacture methods.
Regarding new energy sources, the use of hydrogen as fuel is a study that continues nowadays. One
of the avenues of research into obtaining this fuel proposes the reforming of ethanol through the
use of catalysts, which can be made of various materials. Zirconia is one of the materials that show
good results for this use but, as these pieces often required complex geometries, the use of this
material was reduced. This is where the additive manufacturing mentioned before comes in,
specifically the technique known as “Direct Ink Writing”, which increases the viability of zirconia for
this use.
The advantage of using zirconia as a catalyst is given by its good mechanical properties in terms of
strength and hardness that make it an interesting candidate to be used as a support. In this sense,
the first part of the study will be about the manufacture of zirconia-based catalysts, focusing the
printing, drying and sintering stages.
The second part of the work is aimed at the functionalization of the surface of the printed samples.
This second stage is proposed in the project in order to improve the catalytic activity of zirconia,
which is much lower compared to other ceramic materials. Specifically, the addition of a cobalt-rich
coating is proposed from a post-processing treatment using a salt of this metal as its basis. To do
this, different compositions of the solution have been studied and the appropriate conditions have
been determined to achieve a homogeneous distribution of this metal as well as a control of the
thickness.
The results show that the presence of zirconia in the solution together with the metal salt to be
coated favours its better distribution on the surface once the samples have been sintered. On the
other hand, it should also be noted that the sintering temperature has a determining effect on the
quality of the coating. For samples sintered at 1450ºC cobalt is mainly deposited on the surface of
the material, while for lower temperatures, 1350ºC, the presence of cobalt is also observed
throughout the filament.
