Первые опыты с керамической 3D-печатью

На связи Прокерамика и сегодня мы посмотрим, с чего начинались первые опыты в 2010-х и попытки коммерциализации технологии керамической 3D-печати. И заодно еще раз разберем плюсы материала и сферы его применения. Спойлер — взлетает пока не у всех…

2016 год

Исследователи из частной компании HRL Laboratories разработали и продемонстрировали новый метод аддитивного производства (3Д-печати), позволяющий создавать изделия из керамического материала высокой прочности. Получившийся материал выдерживает рекордные температуры и нагрузки.

Изделию из керамики, в отличие от металла или пластика, не так легко придать нужную форму. 3д-печать позволяет создавать изделия практически любой формы, но с её помощью пока ещё не удавалось изготавливать керамику.

«3д-печать – очень важная новая технология, но пока что с её помощью нельзя было делать высокопрочные изделия, пригодные для инженерных разработок,- говорит соавтор работы, Тобиас Шэдлер. – Мы хотели приспособить 3д-печать для создания высокопрочной и термостойкой керамики».

В качестве полуфабриката для материала выступает специальный полимер. После придания изделию нужной формы его подвергают высокотемпературной обработке, после которой он становится керамическим. В результате он приобретает способность выдерживать температуры как минимум до 2000 К (возможности проверить образцы при более высоких температурах у авторов работы просто не было).

Основы технологии не новы – ещё в 1960-х годах была придумана производная от полимеров керамика [polymer-derived ceramics]. В таких полимерах присутствуют основные составляющие керамики (кремний, азот). После нагревания из полимера улетучивается метан, углекислый газ и т.п., оставляя керамическую структуру, состоящую из кремния, углерода и азота. Получающееся изделие уменьшается в размерах, но сохраняет форму.

Новинкой в данном процессе стало использование веществ, полимеризующихся при воздействии на них ультрафиолетом. А это значит, что напечатать нужное изделие можно практически на любом серийном 3д-принтере (авторы работы так и сделали: они просто заказали готовый принтер).

Фото-полимеры (смолы) содержат олигомеры, мономеры (моно- или полифункциональные) и небольшое количество фото-инициатора (PI). Олигомеры представляют собой длинные цепочки молекул, которые обеспечивают основу фото-инициирующей системы, в то время как мономеры используются в качестве разбавителей. Воздействие смолы на источник света активирует фото-инициатор (PI), который генерирует реактивные частицы, свободные радикалы или реактивные ионы. Эти частицы вызывают реакцию с олигомерами и мономерами, что приводит к образованию длинных цепей, приводящих к фото-полимеризации. Мономеры и олигомеры сами по себе не способны производить достаточное количество активных веществ для полимеризации. Следовательно, для запуска процесса требуется небольшое количество фото-инициатора (PI). Высокая реакционная способность смол к излучению позволяет добавлять наполнители (керамические или металлические) в состав в базовую рецептуру смолы для образования суспензии. В этих системах фото-полимеризованная смола обеспечивает матрицу для твердых частиц. Позже органическая часть удаляется на этапе постобработки, называемом удалением связующего. Оставшаяся пористая твердая структура затем спекается при оптимизированной температуре, создавая плотную твердую деталь.

В качестве наполнителя может использоваться множество функциональных конструкционных материалов. Это керамика, которая используется при низких температурах LTCC, керамика для использования в горячей среде: Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂, керамика для применения в экстремально горячих температурах: AlN, Si₃N₄, SiC, медицинская керамика TCP, HA, Bioglass, чистые металлы и сплавы: стали 316L и 17-4 PH, Inconel, Cu, Mo. Также в качестве наполнителя могут выступать всевозможные металло-порошковые композиции.

Кроме традиционной аддитивной технологии, при которой полимер слой за слоем выдавливается на подложку, авторы также попробовали метод под названием «саморазмножающаяся волновая структура» [self-propagating wave-guide technology]. Суть в том, что готовый полимер способен пропускать ультрафиолетовое излучение, в то время как полуфабрикат этого делать не может. В результате при использовании тщательно разработанных шаблонов можно полимеризовать достаточно большие области заготовки быстрее, чем «печатать» их на 3д-принтере.

Полимеризовавшиеся заготовки авторы затем грели в печи и получили на выходе керамические изделия, в составе которых содержатся 36% кислорода, 26% кремния, 33% углерода и 4% серы.

Кроме высокой термостойкости изделия получаются и очень прочными – их прочность авторы сравнивают с «сотовыми» конструкциями из алюминиевых сплавов. По мнению учёных, решётчатые структуры благодаря высокой прочности и низкому весу могут быть использованы при изготовлении «сверхзвуковых самолётов и реактивных двигателей».

2018

Компания Canon объявила о разработке порошковых материалов, пригодных для высокоточной промышленной 3D-печати геометрически сложных керамических изделий. На рынке аддитивных технологий компания Canon пока что в основном выступает в роли дистрибьютора 3D-принтеров производства американской компании 3D Systems, но есть и исключения. Еще в 2015 году Canon запустила продажи настольных FDM 3D-принтеров Marv, не пользующихся особой известностью или популярностью, что в немалой степени объясняется видимым отсутствием интереса со стороны самого производителя. Тогда же впервые демонстрировалась и концепция фирменного фотополимерного 3D-принтера промышленного класса, судя по всему так и оставшаяся нереализованной. Теперь знаменитый японский машиностроительный бренд заявил о разработке материалов для высокоточного аддитивного производства керамических изделий. Подробностей пока очень мало: известно лишь, что речь идет о порошках на основе оксида алюминия, пригодных для использования в качестве расходных материалов для промышленных 3D-принтеров по технологии селективного лазерного наплавления (SLM), обычно используемых для работы с металлопорошковыми композициями. Как поясняется в релизе Canon, большинство существующих керамических материалов для 3D-принтеров содержат смолу (видимо, речь идет о фотополимерных композициях), что приводит к примерно 20-процентной усадке печатных заготовок во время отжига и вытекающим сложностям с получением изделий необходимой формы и габаритов. Материалы от Canon, с другой стороны, позволяют стабильно выращивать изделия сложной геометрической формы и/или с пористой структурой при относительно небольшой усадке. В случае с продемонстрированным на иллюстрации ниже изделием с гексагональной сотовой структурой, усадка детали диаметром 19 мм составила менее 0,8%. Canon планирует использовать новые материалы в прототипировании деталей промышленного оборудования с высокими характеристиками в плане эксплуатационных температур, электрического сопротивления и коррозионной стойкости. Заодно рассматриваются специализированные варианты керамических порошков, пригодные для применения в медицинской отрасли. (Источник: https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/canon-develops-materials-for-industrial-3d-printing-ceramics)

2022

Первый 3D-печатный керамический микрореактор произведен компанией Bosch

Премьера 3D-печати: совместно с Технологическим институтом Карлсруэ (KIT) и химической компанией BASF компания Bosch успешно изготовила первый в истории 3D-печатный микрореактор из технической керамики. Микрореакторы – это устройства для проведения химических реакций. С точки зрения тепла, стабильности и коррозии, лишь немногие материалы могут выдержать экстремальные условия, возникающие при высокотемпературных химических реакциях.

“Для управления и мониторинга химической реакции реактор должен обладать твердостью, термостойкостью и сложными структурами внутри”, – говорит Клаус Просигель, менеджер по продажам стартапа Bosch Advanced Ceramics, расположенного на юге Германии. “3D-печать технической керамики обеспечивает эти превосходные свойства”.

Исследовательская компания Data Bridge прогнозирует, что мировой рынок технической керамики (не только АТ) будет стоить около 16 миллиарда евро к 2030 году. Этот универсальный материал востребован в самых разных отраслях: в медицине он используется в биполярных ножницах, которые могут одновременно разрезать ткань и останавливать кровотечение. Электрический ток, проходящий через две металлические половинки ножниц, нагревает ткань и запаивает ее. Изолятор из технической керамики гарантирует, что два металлических лезвия не вызовут короткого замыкания, когда ножницы будут закрыты. Это делает операцию более быстрой и безопасной.

В энергетических технологиях исключительная термостойкость и ионная проводимость технической керамики делает ее идеальным материалом для использования в топливных элементах и других областях. В сфере мобильности датчики расстояния, помогающие при парковке, также изготавливаются из технической керамики. Еще одна область применения – кофемолки для полностью автоматических кофемашин. Здесь исключительная прочность и твердость материала гарантирует, что эффект помола остается неизменным в течение долгого времени, без истирания материала, которое может повлиять на вкус кофе. “У нас есть продукты на рынке во всех этих областях”, – говорит Просигель. Компания Bosch Advanced Ceramics хорошо знала, что техническая керамика также очень хорошо подходит для химических реакций. “Однако проблема заключалась в том, чтобы найти процесс, способный производить сложные структуры внутри керамического реактора”, – говорит Просигель. Для решения этой задачи команда стартапа из десяти человек объединила две основные компетенции своей компании: техническую керамику и 3D-печать. “Мы успешно использовали 3D-печать для производства керамических компонентов, которые невозможно изготовить обычными способами”, – говорит он.

В настоящее время BASF использует этот микрореактор в фундаментальных исследованиях, поскольку он позволяет отслеживать химические реакции в идеальных температурных условиях. Кроме того, он требует меньше сырья и энергии, чем большие реакторы. Эксперты могут анализировать эти мелкомасштабные результаты и экстраполировать их для крупномасштабного внедрения.

“Это похоже на то, как шеф-повар пробует новый рецепт в небольших масштабах, прежде чем ввести блюдо в меню”, – говорит Просигель.

Именно поэтому следующим шагом будет печать еще 10-20 реакторов такой же конструкции для BASF. Учитывая возможные дальнейшие потенциальные применения технической керамики в химическом секторе, Просигель видит впереди большое будущее: “В конце концов, почти каждый лабораторный тигель сделан из технической керамики”, – говорит он.

2023

Команда Университета Цзяннань создала новую керамическую пасту для 3D-печати и усовершенствованную технику её отверждения. Метод позволяет изготавливать керамические детали практически под любым углом и создавать формы, которые ранее были невозможны для обычных схем 3D-печати.

Керамика масштабно используется в машиностроении, электронике и аэрокосмической области из-за её структурной стабильности, износостойкости и выносливости при высоких температурах, однако присущая ей хрупкость и твёрдость препятствуют изготовлению сложных деталей.

Китайские учёные предложили новую технику 3D-печати керамики в воздухе без использования поддерживающих конструкций. Благодаря их подходу появилась возможность формировать материал буквально под любым углом и любой формы, что ещё вчера казалось противоречащим законам физики.

Высокопрочные и термостойкие изделия из керамики

Керамика — один из наиболее перспективных материалов, используемых в аддитивном производстве. Она применяется там, где нужны высокая жесткость, жаростойкость, химическая инертность и долговечность. Доступные методы 3D-печати керамикой — Binder Jetting (порошок плюс связующее), SLA/DLP (суспензии), SLS (порошок) и FDM/FFF (филаменты с наполнителем).

3D-печать керамическими материалами находит применение в энергетике (жаростойкие элементы, компоненты турбин, инжекторы), аэрокосмической отрасли (легкие и жаропрочные детали, топологически оптимизированные конструкции), автомобилестроении (фильтры, детали двигателей и систем выхлопа), химическом машиностроении (коррозионностойкие сопла, реакторные компоненты), медицине (индивидуальные имплантаты, зубные коронки и мосты, костные заменители) и других сферах.

Мы в Прокерамике предлагаем широкий выбор оборудования и расходных материалов по технологии SLA | DLP.

Подходит для массового производства
Большой спектр материалов: алюминиевая оксидная и циркониевая керамика, карбид и нитрид кремния, стеклокерамика, пористые и функционально-градиентные материалы
Спеченная техническая керамика обладает высокой механической прочностью, жаростойкостью до 1600-2000°C, химической и коррозионной инертностью, отличной износостойкостью
Высокая точность и повторяемость: достигается плотность, близкая к плотности литья
Возможность создания сложных топологий, внутренних каналов и крупногабаритных объектов

Где керамика дает преимущества и оправдывает вложения?

Изготовление деталей сложной формы, недоступной для традиционных методов
Прототипирование керамических изделий без использования оснастки
Мелкосерийное производство и кастомизация (например, создание индивидуальных медицинских и стоматологических изделий)
Производство жаростойких и химически инертных компонентов
Повышение эксплуатационных характеристик изделий

Керамику, как материал начали использовать в 3D-печати не так давно. Несмотря на небольшой срок применения, 3D-печать керамикой стала одним из перспективных направлений. Отличительной чертой керамических изделий, полученных путем 3d-печати, является высокая термостойкость и безопасность в эксплуатации. Напечатанные детали после термической обработки выдерживают температуру до 1500-2000 °C.

3D-печать керамикой применяется в:

Помимо традиционной области —создание посуды, сувениров, объектов декора; аэрокосмической промышленности — печать деталей для самолетов и спутников; машиностроении — изготовление подшипников и специальных частей; медицине, в том числе эстетической — производство имплантов костей, зубных коронок и медицинских инструментов; атомной промышленности — печать катализаторов, изоляторов; ювелирном деле — создание гипоаллергенных украшений.

Плюсы использования:

небольшой вес полученных изделий;
высокая износостойкость полученных изделий;
термостойкость (не деформируется при большой температуре);
устойчивость к химикатам.
диэлектрическая особенность (благодаря этому свойству 3D-изделия из керамики применяют в электронике и компьютерной технике);
биосовместимость;
стойкость к радиации.

3D-печати изделий из керамики по технологии SLA

При создании 3D-изделий по технологии SLA используется лазер и паста, состоящая из керамики и полимера. Процесс печати очень прост: принтер лазером послойно полимеризует пасту формируя готовое изделие.

Постобработка

Полученный объект подвергается обжигу. Процесс обжига положительно влияет на свойства изделия — оно становится твердым и не восприимчивым к внешним факторам. Также к некоторым готовым изделиям применяется глазурование, которое придает блеск и гладкость предмету. Глазурованные изделия можно покрасить в любой цвет.

Если вам нужны ювелирные изделия, импланты или детали для электроники из керамики — пришлите запрос на электронную почту info@proceramika.ru или позвоните по номерам телефона на сайте proceramika.ru и мы определим цену и сроки изготовления. Наши специалисты во всех подробностях разберутся в вашем проекте, ответят на все вопросы и помогут воплотить идеи в керамические изделия. Цену на 3D-печать керамикой специалисты Прокерамики формируют после изучения проекта (STL файла и / или чертежей).

Керамическая 3D-печать (LCM): как технология меняет производство критически важных компонентов в аэрокосмической, медицинской и полупроводниковой отраслях. LCM — маркетинговое название DLP-печати керамикой от компании Lithoz.

Производство высокоточных керамических деталей для аэрокосмической, медицинской и полупроводниковой отраслей — сложная инженерная задача. Традиционные методы формовки и механической обработки керамики имеют ограничения при создании сложных геометрий. Технология литографической керамической печати (LCM) изменила подход к производству керамических компонентов.

Принципы работы литографической керамической печати

LCM базируется на фотополимеризации керамической суспензии с использованием DLP-проекции. Процесс состоит из нескольких этапов:

Полимеризация смеси керамического порошка в фоточувствительной смоле под воздействием LED-света.
Формирование «зеленой» заготовки.
Дебиндинг для удаления полимерной связки.
Финальное спекание при высоких температурах.

Технология обеспечивает разрешение до 25 микрометров. Плотность готовых изделий достигает 98%, что сравнимо с традиционными методами керамического производства. При этом возможно создавать сложные внутренние структуры, тонкостенные элементы и каналы диаметром менее 200 микрометров.

Материалы для керамической 3D-печати

Современные системы поддерживают широкий спектр керамических материалов:

Оксид алюминия — для высокотемпературных применений.
Диоксид циркония — для медицинских имплантов.
Нитрид кремния — для аэрокосмических компонентов.
Трикальцийфосфат — для биосовместимых изделий.
Пьезокерамика — для электронных устройств.

Каждый материал проходит специальную подготовку. Это обеспечивает стабильную полимеризацию и достижение требуемых механических свойств после спекания.

Применение в аэрокосмической отрасли

Керамические компоненты превосходят металлические аналоги в экстремальных условиях. Они отличаются термостойкостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью. Особое значение имеет производство литейных стержней для турбинных лопаток с интегрированными каналами охлаждения.

Safran Aircraft Engines внедрила систему CeraFab System S65 для серийного выпуска керамических литейных стержней. Сложная геометрия каналов охлаждения недостижима традиционными методами. Она позволяет повысить эффективность двигателей и снизить выбросы.

Керамические сопла из нитрида кремния выдерживают температурные шоки свыше 1200°C. Это критично для ракетных двигателей и ионных двигателей космических аппаратов.

Медицинские применения керамической печати

В медицинской сфере технология 3D-печати открывает возможности для персонализированных решений. Биосовместимые импланты из трикальцийфосфата показывают высокие результаты приживаемости. Клинические исследования подтверждают успешность более 92% случаев при пятилетнем наблюдении.

Особый интерес представляет производство индивидуальных керамических наушников для слуховых аппаратов. Материал ATZ (циркония, упрочненная алюминием) обеспечивает биосовместимость, акустическую нейтральность и долговечность. Толщина стенок менее 1 мм при допусках ±50 микрометров достигается без опорных структур.

Полупроводниковая промышленность

SINTO Advanced Ceramics использует керамическую печать для производства газовых инжекторов из высокочистого оксида алюминия. Монолитные конструкции с сотовой структурой содержат 62 канала. Толщина стенок 0,2 мм, допуски ±0,1 мм. Годовой объем производства составляет 2000 единиц.

Такие компоненты обеспечивают химическую стойкость в агрессивных средах полупроводникового производства. Требования к чистоте и точности здесь критичны.

Преимущества технологии для производства

LCM предлагает ключевые преимущества:

Прямое производство из CAD-данных без оснастки.
Быстрая оптимизация конструкции и тестирование.
Производство нескольких функциональных деталей за один цикл.
Устранение проблем извлечения из форм.
Возможность персонализации изделий.

Технология эффективна для мелкосерийного производства и создания прототипов сложных керамических деталей.

Сравнение с другими методами аддитивного производства

По сравнению с экструзионными методами, LCM обеспечивает более высокое разрешение и качество поверхности. Струйная печать связующим уступает в точности и плотности готовых изделий.

Для предприятий, работающих с высокоточными компонентами, выбор технологии печати SLA или аналогичных фотополимерных методов может стать промежуточным этапом освоения аддитивных технологий. Специалисты Cybercom отмечают, что понимание принципов фотополимеризации при работе с пластиками упрощает переход к керамическим материалам.

Экономические аспекты внедрения

Стоимость оборудования для керамической печати составляет около 300 тысяч долларов за систему CeraFab 8500 с рабочим объемом 115×64×150 мм. Первоначальные инвестиции высоки, но технология окупается при производстве сложных деталей малыми сериями.

Отсутствие необходимости в дорогостоящей оснастке и возможность быстрой смены номенклатуры делают керамическую 3D-печать привлекательной для предприятий с широкой линейкой продукции.

Перспективы развития отрасли

Формирование глобальной экосистемы сертифицированных сервисных бюро и исследовательских центров ускоряет внедрение технологии в промышленности. Накопление валидированных кейсов применения повышает доверие производителей к аддитивным методам.

Развитие многоматериальных платформ позволит создавать градиентные структуры с переменной плотностью и свойствами. Это откроет новые возможности для каталитических систем и фильтрующих элементов.

Керамическая 3D-печать переходит от стадии прототипирования к полноценному серийному производству. Особенно это заметно в отраслях с высокими требованиями к качеству и точности компонентов. Сегодня представляем уникальную технологию цифровой обработки светом (DLP) с применением керамического материала. Возможность использование керамического материала в 3D-печати произвела революцию в аддитивном производстве.

Американская компания «SmarTech Publishing», специализирующаяся на исследованиях аддитивного производства. На этой неделе опубликовали свой второй отчет о росте 3D-печати керамическим материалом. Согласно исследованию, ожидается, что в течение 10 лет он принесет 3,6 миллиарда долларов по всему миру. В исследовании также рассматриваются проблемы, с которыми сталкивается эта технология. Проблемы, которые сильно отличаются от тех, с которыми сталкивается аддитивное производство пластмасс или даже аддитивное производство металлов, отмечено, что в технологии использования керамических материалов в 3D-печати большое будущее. Согласно отчету, 3D-печать керамики достигнет своего пикового значения в 2025 году, распространившись как технология производства в различных отраслях промышленности.

28.03.2026