Керамическая 3д-печать — любительские методы и их отличия

Технология 3D-печати керамикой — это передовой метод аддитивного производства, который стирает границы между инновациями и традициями. Если раньше керамика ассоциировалась с гончарным кругом и руками мастера, то сегодня с помощью керамического 3D-принтера создают как сложнейшие медицинские импланты, так и изящные предметы искусства. В этой статье мы подробно разберем, что такое печать керамикой, где она применяется и какое оборудование для этого нужно.

Преимущества и уникальные свойства керамических материалов

Популярность керамической 3D-печати обусловлена выдающимися свойствами самих материалов. Готовые изделия обладают характеристиками, которые сложно достичь с помощью пластиков или металлов:

Высокая термостойкость: Детали выдерживают экстремальные температуры, что незаменимо в авиации и машиностроении.

Биосовместимость: Материал безопасен для контакта с организмом человека, что открывает двери в медицину.

Высокая твердость и износостойкость: Изделия устойчивы к механическим повреждениям и абразивному износу.

Химическая инертность: Керамика не вступает в реакцию с агрессивными средами.

Именно этот набор свойств объясняет широчайшую сферу применения технологии.

Области применения керамической 3D-печати
Сферы использования керамики в 3D-печати можно условно разделить на две большие группы: высокотехнологичная промышленность и творчество.

1. Промышленность и высокие технологии
Здесь востребованы точность и функциональность материалов.

Медицина: Производство индивидуальных зубных протезов, костных имплантатов и хирургических инструментов.

Авиакосмическая отрасль: Изготовление жаропрочных компонентов для двигателей, изоляторов и деталей с сложной геометрией.

Электроника: Создание микросхем, подложек и изоляторов.

2. Дизайн и искусство
Технология дает художникам и дизайнерам невиданную ранее свободу творчества.

Авторская керамика: Печать уникальных ваз, светильников и скульптур с формами, недоступными для классического гончарного дела.

Дизайн интерьеров: Создание сложных декоративных элементов, плитки и аксессуаров.

Ювелирное дело: Производство литейных форм для последующей заливки металлом.

Технологии и оборудование для 3D-печати керамикой

Процесс печати керамических изделий отличается от работы с пластиком и требует специализированного подхода.

Основные технологии: Наиболее распространены стереолитография (SLA) и экструзия (аналогичная FDM, но с керамической пастой). В SLA-принтерах используется фотополимерная смола, наполненная керамическим микропорошком.

Специализированные 3D-принтеры: Для работы требуются устройства, адаптированные под абразивные керамические материалы, например, модели от компаний 3D Pottery или WASP.В России такое оборудование разрабатываем Прокерамика.

Этапы постобработки: почему это важно

Готовность отпечатанной модели — это только половина пути. Постобработка керамических изделий — критически важный этап, который придает детали ее финальные свойства.

Сушка: Напечатанная «сырая» деталь осторожно сушится для удаления влаги.

Обжиг в печи: Изделие помещается в специализированную печь для высокотемпературного обжига. На этом этапе происходит усадка (которая должна быть точно просчитана на этапе моделирования) и спекание частиц, что придает керамике ее классическую прочность.

Именно из-за этих этапов общее время изготовления готовой керамической детали значительно превышает время печати пластиком.

С чего начать печать керамикой?

Если вы хотите освоить керамическую 3D-печать, важно понимать, что это потребует инвестиций в специальное оборудование (принтер и печь для обжига) и глубокого изучения материаловедения. Однако результат того стоит — вы получите доступ к технологии, позволяющей создавать изделия, не уступающие по качеству традиционной керамике, но с неограниченной свободой дизайна.

Ниже перечислены наиболее распространенные материалы используемые для любительской и невысокоточной 3D-печати керамики методом экструзии:

Терракота — хорошо известная керамика, которая часто используется в горшках для растений, поскольку она пористая и легкодоступная. Свой красноватый оттенок она приобретает благодаря оксиду железа, образующемуся при обжиге в печи. Терракота может быть экструдирована в системах FDM и является более прочной, чем большинство керамических изделий на основе глины.
Фарфор представляет собой смесь кремния и глины. Он бывает трех видов: твердый пастообразный, мягкий пастообразный и костяной фарфор. Твердый фарфор — это сорт, используемый в тонком фарфоре, и изготавливается в основном из каолиновой глины, смешанной с кварцем и полевым шпатом. Мягкий фарфор имеет аналогичный состав, но обжигается при более низкой температуре, поэтому конечный продукт получается не таким твердым, как твердый фарфор. В настоящее время костяной фарфор изготавливается из костной золы, каолина и полевого шпата. Фарфор можно экструдировать с помощью FDM. В виде керамического фоторезиста он может быть напечатан на совместимых 3D-принтерах со смолой, а в виде порошка — скреплен с помощью струйного нанесения связующего.

Фаянс — самый древний из известных материалов, используемых в гончарном производстве. Перед обжигом его часто покрывают шликером — очень жидкой смесью глины и воды, чтобы улучшить текстуру поверхности и сделать ее водонепроницаемой. Глиняная посуда обжигается, но не стекленеет (становится похожей на стекло) в процессе обжига, поэтому имеет более грубую поверхность, чем фарфор. Глиняная посуда может быть экструдирована. Wasp, одна из самых известных компаний, производящих керамические 3D-принтеры, продает красный сорт этой глины.
Керамогранит — это непористая керамика, обжигаемая при высоких температурах. Несмотря на свою водонепроницаемость, он часто покрывается глазурью в эстетических целях. В 3D-печати керамогранит чаще всего используется методом экструзии.

Керамические филаменты

Помимо керамических материалов, которые можно непосредственно экструдировать в специальных 3D-принтерах, существуют керамические филаменты, которые можно печатать на обычных FDM 3D-принтерах. Такие филаменты обычно представляют собой композиты из связующего на основе полимера и керамического материала. Как и другие филаменты, они наматываются на катушки, но зачастую они гораздо более хрупкие, пока не пройдут стадию окончательного нагрева.

В процессе обжига полимер сгорает, оставляя после себя только керамический материал. Однако некоторые филаменты требуют отдельного процесса дебридинга для отделения полимера от керамического материала.

Существует несколько компаний, производящих керамические филаменты, в том числе Spectrum, LayCeramic и Zetamix. Эти филаменты, как правило, намного дороже стандартных керамических материалов, таких как фаянс.

Печать глиной

Сегодня существует множество способов 3D-печати глиной и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее экономически эффективным способом печати керамики является экструзия, но при этом она обеспечивает наименьшую детализацию. Печать смолой и струйная печать связующим обеспечивают более высокий уровень детализации, но за это приходится платить.

Экструзионная печать
Системы, основанные на экструзии глины, являются наиболее распространенным способом изготовления керамических деталей для гончарного производства. Одной из наиболее популярных систем для экструзии глины является серия дельта-принтеров Wasp. В этих системах для выталкивания глины из экструзионного сопла иногда используется пневматика, но чаще всего применяется шнек с приводом от электродвигателя.

Глина обычно представляет собой увлажненную смесь, облегчающую процесс экструзии. Из-за свойств глины втягивание может быть затруднено. Поэтому с помощью экструзии часто печатают спиральные вазообразные структуры.

Благодаря керамическим филаментам для печати керамики можно использовать и обычные FDM-принтеры. Однако отпечатки значительно уменьшаются в размерах из-за процесса дебридинга. Например, филамент LayCeramic после полного выгорания полимера уменьшается в размерах на четверть. Необходимо тщательно продумать геометрию керамики, чтобы она оставалась цельной на этом этапе усадки, а толщина стенок должна быть относительно большой — Zetamix рекомендует 2 мм для своих циркониевых филаментов.

При работе с этими композитами обычно предпочтительнее использовать сопла большего диаметра, и лучшие результаты могут быть получены при использовании сопла диаметром 0,6 мм, а не стандартного 0,4 мм. Сопло должно быть изготовлено из закаленной стали или выдерживать воздействие абразивных материалов.

Некоторые производители керамических нитей рекомендуют печатать на стекле, а для удаления отпечатка использовать ультразвуковую ванну. Однако это может быть сопряжено с некоторыми трудностями, учитывая ограничения по размеру резервуара и цену ванн большего объема.

Другие методы (и самые высокоточные!)

Керамика также может быть получена с помощью совместимых фотополимерных 3D-принтеров и систем струйной подачи связующего. Однако эти машины, как правило, используются скорее для изготовления технической керамики. Тем не менее, с помощью фотополимерных систем можно изготавливать небольшие, высокодетализированные декоративные керамические детали. В этом случае для первоначального процесса печати используется смесь керамики и полимера. В качестве примера можно привести керамическую смолу Formlabs и Porcelite компании Tethon3D. В России единственный производитель таких материалов — компания Ретех (Прокерамика).

Вес керамической смолы может представлять определенные трудности. Она значительно тяжелее большинства пластмасс, поэтому может возникнуть проблема с прилипанием деталей на печатной пластине (адгезия).

Существуют системы струйного нанесения связующего в которых для изготовления деталей высокой детализации используется система порошкового слоя. Порошкообразная керамика послойно скрепляется с помощью запатентованного связующего вещества, что позволяет сохранить форму напечатанной детали, так называемое «зеленое состояние», до момента ее глазурования и обжига. Керамика, наносимая методом струйной печати, является достаточно специализированной и требует специальных машин, поэтому не каждый принтер может ее производить.

Хотя керамика может быть изготовлена с помощью этих методов 3D-печати, требуемые для этого машины чрезвычайно дороги — часто их стоимость начинается с шестизначной цифры (за импортные системы 3DCERAM и Lithoz). Поэтому эти методы недоступны для рядового потребителя и даже большинства компаний в России. Цель Прокерамики — сделать высокоточную керамическую 3д-печать более доступной для широкого круга университетов, НИИ и производственных компаний, в том числе для малого и среднего бизнеса.

Постобработка

Поскольку наиболее распространенным и дешевым способом 3D-печати керамики является экструзия, стоит рассмотреть этапы, выполняемые после печати детали. В экструзионных системах, непосредственно печатающих керамические материалы, отпечаткам сначала дают высохнуть в течение одной-двух недель в зависимости от используемого материала и размера детали. Перед обжигом они должны полностью высохнуть.

Затем сухие отпечатки обжигаются в печи, что называется обжигом в баске. Затем на отпечатки наносится глазурь, после чего они обжигаются в глазури. Печи стоят дорого, поэтому многие предпочитают отдавать процесс обжига на аутсорсинг. Поскольку процесс обжига, как правило, не отличается от обжига любой традиционной керамики, специализированные печи и глазури обычно не требуются.

Для керамических филаментов, напечатанных на обычных FDM-принтерах, процесс последующей обработки несколько сложнее. Перед обжигом отпечатка для некоторых филаментов требуется процесс дебридинга. Например циркониевый филамент требует двухэтапного процесса после печати детали. Сначала деталь помещается в химическую ванну с ацетоном для растворения связующего, а затем обжигается в тигле с порошковым наполнителем для термического удаления остатков связующего. Вся последующая обработка занимает более двух дней.

Прежде чем приступить к работе с керамическими композитными филаментами, стоит внимательно ознакомиться с инструкциями производителя, так как их применение может сильно отличаться в зависимости от конкретного материала.

Заключение

3D-печать керамикой — это мост между цифровым миром и материальным производством. Она открывает новые возможности для инженеров, дизайнеров и художников, позволяя создавать прочные, термостойкие и биосовместимые изделия со сложнейшей геометрией. По мере развития технологий и материалов, эта отрасль будет только набирать обороты, находя все новые и новые применения.Уникальность керамической 3D-печати заключается, конечно же в материале. В художественных кругах термины «керамика» и «глина» часто используются как взаимозаменяемые для обозначения различных материалов, используемых для изготовления керамики. Глина действительно является одним из видов керамики, но не вся керамика изготавливается из глины. На самом деле керамика включает в себя широкий спектр материалов, которые затвердевают при нагревании при высоких температурах, что называется обжигом.

Источник: https://3dspec.ru/ceramic-3d-printing