Подробно про лазерную стереолитографию в керамической 3D-печати

Керамическая 3D-печать по технологии лазерной стереолитографии (SLA) — это прорывной метод, который дополняет традиционные способы изготовления керамических изделий.

SLA особенно востребована в сферах, где требуется точность на уровне 100–200 микрон, сложная геометрия, надежность и повторяемость — например, в медицине, науке, микроэлектронике и промышленном дизайне.

Зачем это нужно

• Не нужно создавать пресс-формы и литейные формы, т.к. SLA позволяет изготавливать изделия без дорогостоящей оснастки.
• Можно быстро вносить изменения в конструкцию. Подходит для НИОКР и прототипирования.
• Детализация до 100–200 микрон, включая полые и решетчатые структуры, невозможные в классическом литье.
• Высокие эксплуатационные характеристики после спекания: термостойкость, биосовместимость, изоляция.

Как работает SLA-печать керамикой

SLA использует лазер для послойного отверждения керамонаполненной уф-полимеризуемой суспензии, тонкими слоями по 25-50-100 микрон.

После печати заготовка проходит:

• медленный отжиг, в ходе которого удаляются связующие компоненты, керамо-полимерные заготовки превращаются в хрупкую пористую структуру;
• спекание (полимерные формы прекращаются в плотную керамическую деталь с заданными свойствами).

Такой подход даёт стабильный результат при печати сложных деталей с микронным разрешением, позволяя получать стабильные малые серии изделий с высокой воспроизводимостью.

Преимущества SLA-печати по сравнению с традиционными методами

Что можно печатать

SLA позволяет работать с большим спектром технической и биокерамики:

• оксид алюминия (Al₂O₃) — изоляторы, подложки, зубные имплантаты;
• оксид циркония стабилизированный (ZrO₂ — YSZ) — стоматология, хирургия, топливные элементы, ювелирные изделия;
• гидроксиапатит (ГAП) — челюстно-лицевая хирургия, костные протезы;
• нитрид алюминия (AlN) — радиаторы, подложки в микроэлектронике;
• нитрид кремния (Si₃N₄) — машиностроение, авиация;
• диоксид кремния (SiO₂) — литейные и оптические компоненты, стержни;
• различные кастомные композиты на базе материалов выше — изделия на заказ с уникальными свойствами

Кроме того, цвет готовых изделий можно иногда менять с помощью пигментов, добавляемых в фотополимерную суспензию, при этом не нарушаются процессы полимеризации и спекания. Изделия после обжига можно покрывать глазурью, как в традиционной керамике.

Где применяется SLA-печать

• Медицина: индивидуальные имплантаты, зубные протезы, костные пластины (после сертификации).
• Аэрокосмос: изоляторы, теплообменники, компоненты систем охлаждения.
• Микроэлектроника: подложки микросхем, корпуса, прецизионные изоляторы.
• Дизайн и ювелирное дело: сложные формы украшений.
• Промышленность: сопла, лопасти и стержни, втулки, уплотнители.
• НИОКР и образование: лабораторные исследования, работа с новыми материалами, проектирование и испытания прототипов нового оборудования.

Импортные аналоги на рынке

Однако у всех перечисленных моделей есть серьезный недостаток – очень высокая цена (от 30–40 млн руб.). С 2022 года поставки комплектующих, фирменных суспензий и сервисных услуг от зарубежных производителей резко сократились. Из-за этого существующие импортные 3D-принтеры в России рискуют постепенно выйти из строя — без возможности ремонта или замены. Речь идёт о тех немногих установках, которые были ввезены в страну с 2017 по 2022 год.

Наше решение

Компания «Ретех» разработала российскую SLA-систему с рабочим полем диаметром 170 мм. По характеристикам она сопоставима с импортными аналогами, но стоит более чем вдвое дешевле, чем самый компактный 3Д-принтер линейки Ceramaker (модель С101 с полем 100 мм ×100 мм).

Преимущества нашей SLA-системы:

• Подходит для лабораторий, медцентров и НИОКР;
• Работает в связке с линейкой отечественных материалов ПРОКЕРАМИКА;
• Сопровождается технической поддержкой и сервисом.

Перспективы развития

• Разработка новых высоконаполненных УФ-отверждаемых суспензий для технической и биокерамики.
• Автоматизация постобработки: обжиг, спекание, контроль качества и геометрии, моделирование.
• Интеграция SLA-печати в цифровые производственные цепочки «CAD–CAM–Production».
• Снижение стоимости оборудования и порога входа для малого бизнеса.
• Повышение биоадаптации материалов для имплантологии и их сертификация.
• Расширение геометрических возможностей через топологическую оптимизацию изделий и гибридные методы печати.
• Интеграция в цифровые производственные цепочки (CAD–CAM–Production)
• Снижение стоимости оборудования для среднего бизнеса, ВУЗов и НИИ

Почему стоит внедрять сейчас

Компании Lithoz и 3DCERAM уже более 10 лет успешно применяют ее в медицине, науке и промышленности.

Теперь такое решение доступно и в России: отечественный принтер «Ретех» и линейка материалов «ПРОКЕРАМИКА» позволяют запускать процесс аддитивного производства без переплат, без импортозависимости и с технической поддержкой на всех этапах.

Как сегодня производят керамические изделия при помощи 3D-печати?

Современная 3D-печать керамики ориентирована на выпуск полимерно-керамических заготовок («green body»), которые затем спекаются в электрических муфельных печах.

Основные промышленные технологии производства керамических заготовок

Технологии, не применяемые для чистой керамики в промышленности:

• DED (прямой подвод энергии и материала) — подходит лишь для экспериментов с металлокерамикой, не используется для чистой керамики.
• SL (листовая ламинация) — устарела, не отвечает требованиям по точности и эффективности.

Почему 3D-печать керамики так актуальна

• Сложные геометрии. Изготовление форм, невозможных при традиционном производстве (фрезерование, литье): внутренние каналы, решетчатые структуры, топологическая оптимизация.
• Кастомизация и персонализация. Экономически эффективное производство единичных изделий и мелких серий (медицинские имплантаты, стоматология).
• Сокращение сроков и затрат на НИОКР. Быстрая печать рабочих керамических прототипов.
• Уменьшение материалоотхода. Печать минимизирует отходы дорогой керамики.
• Консолидация деталей. Печать сложных узлов как единого целого, исключая сборку.

Заключение

Современное промышленное производство керамики в 3D-печати опирается на пять технологий: Binder Jetting (BJ), Material Extrusion (ME), Vat Photopolymerization (VP), Material Jetting (XJet), Lithography-based Manufacturing (LCM). Каждая из них применяется в зависимости от требований к точности, материалу, стоимости, скорости и качеству. Все методы завершаются обязательным спеканием в печи. Выбор технологии зависит от задач бизнеса и параметров изделия. Наиболее универсальными и быстро развивающимися остаются фотополимеризация (VP) и струйное нанесение связующего (BJ).

Перспективы локального рынка SLA-печати керамики

Стереолитография — старейшая аддитивная технология Технология SLA — одна из первых в истории 3D-печати. Её разработал американский инженер Чарльз Халл в 1984–1985 годах, создав прототип устройства, отверждающего жидкий фотополимер с помощью УФ-источника. В 1986 году он получил патент (US4575330) и основал компанию 3D Systems — будущего лидера на рынке аддитивного производства. В течение следующих 20–25 лет технология стремительно развивалась. Повысилась точность лазеров и оптики, снизилась стоимость оборудования. Улучшилось программное обеспечение, появились фотополимеры с высокими механическими и термическими характеристиками. Первые эксперименты с фотополимерными суспензиями, наполненными керамикой, начались в 2000-х годах. Коммерческие SLA-принтеры для печати керамики появились примерно десять лет спустя. Одним из пионеров в этой области считается французская компания 3DCeram. На рынке также присутствует ряд других производителей, предлагающих оборудование под различными маркетинговыми обозначениями технологии SLA.

Ключевые игроки рынка керамической SLA-печати

Рынок 3D-керамики: цифры и прогнозы

Как видно из таблицы и графиков, рынок 3D-принтеров для керамики быстро растет и будет активно развиваться в ближайшие годы.

Импортозамещение и первые шаги в развитии российского рынка керамической 3D-печати

Средняя стоимость установок — от 200 до 500 тысяч долларов, что в России составляет 30–70 млн рублей. С 2022 года поставки практически остановились, заморозив и без того небольшой рынок. Между 2015 и 2022 годами в страну привезли несколько десятков керамических 3D-принтеров.

Однако высокая цена, экспериментальный статус технологии и отсутствие расходных материалов сильно ограничили ее развитие.

Некоторые установки уже вышли из строя, а полноценное сервисное обслуживание в текущих условиях практически невозможно.

Для решения проблемы и локализации технологии нужен системный подход.

Первые системные шаги по импортозамещению материалов для стереолитографической 3D-печати оксидной керамикой наша команда сделала в 2018-2021 годах, работая на SLA-принтере 3D CERAM С900.

В 2021–2023 годах был сформирован задел по отечественным суспензиям для этой установки, началась системная работа с поставщиками сырья.

Параллельно начались исследования и разработка первого российского лабораторного 3D-принтера.

В 2024 году проект поддержал Фонд Содействия Инновациям, а образованная в этом же году компания ООО «Ретех» чуть позже получила и свои первые венчурные инвестиции от фонда Amper VC, что дало старт работе с индустриальным партнером для создания профессионального 3D-принтера.

Ссылки на источники:

• 3D Ceramic Printer Market Size, Share, Competitive Landscape and Trend Analysis Report, by Component, by Technology, by End User: Global Opportunity Analysis and Industry Forecast, 2023-2032. Доступно на: https://www.alliedmarketresearch.com/3d-ceramic-printer-market-A144567
• 3D Printing Ceramics – Global Strategic Business Report, Global Industry Analysts, Inc.
• Ceramics Additive Manufacturing Markets 2017-2028, SmarTech Publishing. Доступно на: https://additivemanufacturingresearch.com/reports/ceramics-additive-manufacturing-markets-2017-2028/