Виды аддитивных технологий для производства изделий из керамики

Керамические материалы обладают уникальными свойствами и областью применения благодаря прочным связям, кристаллическим и зонным структурам. Они используются в качестве конструкционных материалов в термохимически сложных средах, а также обладают уникальными функциональными возможностями в электротехнической, оптической и магнитной областях. Ключевыми преимуществами этих материалов являются их высокая твердость, прочность, химическая стабильность и стойкость к высоким температурам. Однако высокая твердость и прочность керамических материалов также затрудняют формообразование и обработку деталей. Такие способы формообразования керамики, как литье из шликера, сухое прессование, пленочное литье и гель-формование, имеют определенные недостатки [1, 2]:

• Изготовление сложных компонентов требует применения пресс-форм с высокой геометрической точностью. Поскольку производство высокоточных пресс-форм связано со значительными затратами и длительными производственными циклами, непрерывное улучшение и обновление изделий затруднено.
• После спекания заготовки часто требуют дополнительной обработки лазером или механической обработки твердосплавными или алмазными режущими инструментами для обеспечения необходимой точности размеров и формы готового изделия.
• Некоторые специальные формы и элементы сложно изготовить с использованием традиционных процессов формования, например, внутренние полости, отверстия, внутренние канавки и изгибы с малыми радиусами. Эти недостатки существенно ограничивают широкое распространение высокотехнологичной керамики.

Использование технологий аддитивного производства для формирования сложных керамических деталей позволяет обойти указанные проблемы, снизить процент брака, повысить гибкость производства и обеспечить быстрое изготовление высокоточных керамических компонентов [2–4].

В начале 2019 года компания Smartech Publishing опубликовала отчет о развитии керамической 3D-печати. В документе говорится, что к 2028 году объем мирового рынка в этой области может достигнуть 3,6 миллиардов долларов. Согласно отчету, 3D-печать керамикой достигнет зрелости к 2025 году и получит распространение в качестве производственной технологии в различных отраслях промышленности [5].

В соответствии со стандартом ISO/ASTM все процессы аддитивного производства (АП) с точки зрения формообразования можно разделить на две основные категории: 1) одностадийные процессы (также называемые «прямыми»), в которых детали изготавливаются за одну операцию, когда базовая геометрия и основные свойства материала изделия достигаются одновременно, и 2) многоступенчатые процессы (или «косвенные»), в которых детали производятся в две или более операций, где первая обеспечивает базовую геометрическую форму, а последующие придают заготовке заданные свойства материала. Большинство процессов АП для формования керамики являются многоступенчатыми (косвенными) и используют связующий материал для соединения частиц керамического порошка. Это связющее, как правило, удаляется в ходе последующей термической обработки [4].

Единственными процессами, близкими к одностадийному формованию керамических деталей, являются методы прямой подачи энергии в зону построения и плавление в порошковом слое. К последним относятся селективное лазерное плавление (SLM) и селективное лазерное спекание (SLS) [4].

Ниже приведена дальнейшая классификация аддитивных процессов в соответствии с делением на одностадийные/многостадийные процессы и механизмами связывания для плавления порошков.

Селективное лазерное спекание (SLS)

В процессе SLS, как следует из названия, мощный лазерный луч используется для избирательного облучения поверхности слоя порошка. Порошок нагревается, и происходит его спекание (межчастичное сплавление) для объемного соединения. Затем наносится новый слой порошка для следующего прогрева и соединения. Процесс повторяется слой за слоем до тех пор, пока не будет изготовлена трехмерная деталь. В процессе SLS нет необходимости в специальных опорных конструкциях для нависающих элементов, так как они постоянно окружены несвязанным порошком в слое.

Селективное лазерное плавление (SLM)

Принцип технологии SLM очень близок к технологии SLS, за исключением того, что это более быстрое одностадийное полное плавление в заранее сформированном порошковом слое. В данном методе используются лазерные источники с гораздо более высокой плотностью энергии, и не требуются вторичные легкоплавкие порошки.

Процесс экструзии материала

Процесс экструзии материала является наиболее широко используемым процессом 3D-печати благодаря его адаптации для недорогих настольных систем вплоть до крупных промышленных машин. Разработка различных экструдеров для широкого спектра материалов также включает глины и полимеры с керамическим наполнителем.

Методы прямой передачи энергии в место построения

Методы прямой передачи энергии в место построения, определяемые как «процессы аддитивного производства, в которых сфокусированная тепловая энергия используется для плавления материалов при их осаждении», применяются для формирования макроскопических керамических деталей. Прямая передача энергии также широко известна как лазерная наплавка. Печатающая головка системы состоит из сопла, которое подает частицы керамического порошка в фокус лазерного луча. Порошок плавится и затвердевает на подложке [4].

Процессы струйной печати

Процессы струйной печати определяются как «процессы аддитивного производства, в которых жидкий связующий агент избирательно наносится для соединения порошковых материалов» (binder jetting). Они реализованы в так называемых трехмерных принтерах (3DP), состоящих из печатающей головки и устройства для нанесения порошка. Устройство 3DP может формировать керамические компоненты, сначала нанося слой керамического порошка, а затем нанося связующий материал для избирательного соединения частиц. Как правило, различают два разных метода 3DP.

Технологии на основе суспензионной керамики

Наиболее распространенные в промышленном применении технологии 3D-печати на основе суспензионной керамики обычно используют жидкие или полужидкие системы, диспергированные с мелкими керамическими частицами в качестве исходного материала, в виде чернил или паст, различающихся содержанием твердого вещества и вязкостью. Изделие может быть напечатано методом фотополимеризации, струйной печати или экструзии. Ниже описаны методы на основе фотополимеризации, такие как стереолитография (SLA) и ее производные — цифровая обработка света (DLP) и двухфотонная полимеризация (TPP), а также струйная 3D-печать наночастицами.

NanoParticle Jetting (NPJ)

Технология NanoParticle Jetting (NPJ) использует герметичные картриджи, заполненные «твердыми наночастицами в жидкой суспензии». При загрузка в 3D-принтер наночастицы подаются с помощью сложной системы сопел, распыляющей их на ультрамелкие капли основного и поддерживающего материала. Высокие температуры внутри печатной камеры (до 300°C) приводят к испарению жидкой основы — таким способом формируются твердые слои из керамики. Малый размер частиц в суспензиях обеспечивает высокую плотность готового изделия, а возможность напыления опорных материалов позволяет создавать детали практически неограниченной геометрической сложности. После завершения печати объекты отправляются в печь для спекания до готового состояния, а поддерживающие структуры удаляются.

Двухфотонная полимеризация (TPP)

TPP (two-photon polymerisation) — метод, при котором полимеризация активируется за счет двухфотонного поглощения (ТРА) ближнего инфракрасного (780 нм) или зеленого (515 нм) лазерного излучения. Процесс осуществляется в светочувствительной смоле только при высокой интенсивности лазера в пределах локализованного в пространстве фокального пятна.

Digital light processing (DLP)

Метод 3D-печати DLP — альтернативный метод SLA, использующий вместо лазеров светодиодные проекторы, что значительно снижает стоимость 3D-принтеров. В отличие от метода SLA, при котором сканирование поверхности материала по контуру детали производится лучом от одной или нескольких головок, DLP 3D-принтеры проецируют и проводят затвердевание целого слоя фоточувствительного полимера, после чего аналогично наносятся последующие слои материала.

Лазерная стереолитография (SLA)

Технология SLA представляет собой процесс, в котором источник света определенной длины волны (обычно в ультрафиолетовом диапазоне) используется для селективного отверждения поверхности жидкости в ванне, содержащей в основном фотополимеризуемый мономер в комбинации с требуемой твердой фракцией керамических порошков, а также другими добавками в малых количествах, в частности фотоинициаторами. Процесс полимеризации, активируемый светом (т.е. превращение жидкого мономера в твердую смолу), как правило, протекает от линии к линии, от слоя к слою в соответствии со сканированием света на поверхности жидкости. После полимеризации одного слоя чан или платформа, поддерживающие изделие, перемещаются по высоте. В результате печати получается геометрия детали из отвердевшей полимерной матрицы с высоким содержанием керамического порошка. Для получения конечного керамического изделия требуется термическая обработка для удаления связующего полимера.

Все упомянутые технологии представлены на российском рынке в качестве зарубежных продуктов (ЕС, США, Израиль). Отечественным производителем 3D-принтеров для печати керамикой по методу SLA является компания ООО «Аддитивное производство» с принтером AF-200 Universal. Компания предлагает не только принтер для 3D-печати, а полноценную платформу, которая включает программное обеспечение собственной разработки для подготовки 3D-модели, принтер для 3D-печати, а также вспомогательное оборудование: устройство для подготовки керамической суспензии и печи для термической обработки полученного после печати изделия. Технологический процесс 3D-печати на принтере AF-200 Universal представлен на рис. 1.

С помощью ПО собственной разработки 3D-модель подготавливается к печати и загружается на принтер. Предварительно изготовленная керамическая суспензия наносится ровным слоем на ленту переноса с помощью специальной системы подачи материала и распределительных ракелей. Рабочая платформа, на которой осуществляется построение объекта, опускается до поверхности керамической пасты, оставляя зазор, равный толщине печатаемого слоя (20–100 мкм). Далее лазер, расположенный снизу, засвечивает слой изделия. После засветки рабочая платформа поднимается вверх. Таким образом происходит послойное построение объекта (выращивание снизу вверх). Примеры полученных керамических изделий представлены на рис. 2.

В связи с развитием отечественного рынка радиоэлектроники и военно-промышленного комплекса (в частности — двигателестроения) важной задачей становится производство высокоточных изделий из керамики с определенными физико-химическими свойствами. Аддитивные технологии позволяют решить эти задачи и вывести отечественное производство на новый уровень. Вышеупомянутые технологии позволяют решить большую часть существующих задач, в том числе на отечественном оборудовании. Увеличение доли рынка 3D-печати керамикой в общем объеме аддитивных технологий говорит об экономических перспективах направления и, как следствие, о развитии отраслей промышленности.

Литература

1. https://www.omicsonline.org/scholarly/ceramic-materials-journals-articles-ppts-list.php
2. Питерсков П. Сравнение традиционной технологии изготовления охлаждающих стержней лопаток газотурбинного двигателя и метода 3D-печати керамикой. Спб.: молодежь. техника. космос статьи и доклады XI Общероссийской молодежной научно-технической конференции. Сер. Библиотека журнала «Военмех. Вестник БГТУ» 2019.
3. Chen Z, Li Z, Li J, Liu C, Liu C, Li Y, Wang P, Yi H, Lao C, Yuelong F. 3D printing of ceramics: A review//Journal of the European Ceramic Society. 2018. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.11.013
4. Deckers, Jan & Vleugels, Jozef & Kruthl, J. (2014). Additive Manufacturing of Ceramics: A Review. Journal of Ceramic Science and Technology. 5. 245–260. 10.4416/JCST2014–00032.
5. https://www.3dnatives.com/en/ceramic-3d-printing-170420194/