Большинство методов керамического формования требуют литейные шликеры или специальной оснастки, поэтому, когда речь заходит о производстве сложных конфигураций, этап изготовления пресс-формы является самым дорогим и трудоемким. 3D-печать стала подходящей альтернативой как для быстрого прототипирования, так и для производства.

 

Обзор способов трехмерной печати

Технологии 3D-печати можно разделить на несколько групп:
•    фотолитографию;
•    лазерное сплавление;
•    ламинирование;
•    экструзию;
•    FDM;
•    струйную печать.

Многие устройства для аддитивного производства или быстрого прототипирования, базирующиеся на этих шести методах, разрабатывались (в основном в США, Европе и Японии) сначала для полимеров, но потребность в функциональных материалах быстро заставила исследователей экспериментировать с металлами и керамикой.

 

Аддитивное производство керамическими составами использует различные технологии, среди которых популярны следующие:

•    Binder Jetting – процесс осаждения связующего на керамический порошок. Связующее вещество наносится выборочно на слой материала, формируя твердую поверхность. Операция повторяется последовательными слоями. В конце детали очищаются и спекаются.

•    Fused Deposition Modeling (FDM) – метод, который подразумевает построение объектов из расплавляемого керамонаполненного филамента, подаваемого через экструдер. Полученные детали часто с недостаточно хорошим качеством поверхности или точностью геометрических размеров. На модели присутствуют следы поддерживающих структур, которые убираются механически. Сгладить поверхность можно с помощью ацетоновой бани. Далее объект спекается в печи.

•    Технология экструзии очень похожа на метод FDM, но операция выполняется без нагревания через экструзионную головку с применением керамической пасты на водной основе.

•    Системы селективного лазерного спекания (SLS) используют энергию луча лазера для локального сплавления материала в слой порошка. Было проведено множество исследований прямого спекания керамики с использованием мощных лазеров, как это делается для металлов, но без значимых результатов.

•    Фотополимеризация, включающая стереолитографию и цифровая обработка светом (DLP), предполагает проецирование изображения слоя на производственную платформу с помощью лазера или проектора с целью полимеризации определенных областей. В случае, если источник света находится под рабочим столом, могут образовываться межслойные дефекты, также появляется необходимость создания опор для удержания детали при печати, которые затем придется отрезать и зачищать. Это приводит к риску возникновения трещин, являющихся потенциальным источником разрушения.

 

Преимущества стереолитографии

SLA-техника работает по классическому принципу построения объекта – слои керамического материала распределяются с помощью скребка, а затем один или несколько лазеров сканируют сечения, подлежащие отверждению.

 

Основные достоинства технологии:

•    отсутствие межслойных дефектов;

•    ограниченное взаимодействие между окружающей средой и полимеризуемой пастой;

•    отсутствие или малое количество опор, что значительно экономит время постобработки и гарантирует устранение потенциальных отклонений;

•    однородность УФ-обработки по всей поверхности рабочей камеры;

•    стабильность суспензии, что важно при работе с пастами разной степени вязкости.

 

Стереолитография особенно хорошо подходит для 3D-печати керамики. Процесс предполагает использование составов, состоящих из керамических порошков, смешанных с фоточувствительной смолой. Эта технология 3D-печати керамики позволяет получить детали, которые имеют те же качества, что и образцы, изготовленные традиционными способами, такими как прессование, формование или впрыскивание. То есть, конечный экземпляр обладает заданными характеристиками с точки зрения механической прочности, термической стабильности, твердости, химической стойкости, электрических/оптических/магнитных свойств и теплопроводности. Таким образом, процесс стереолитографии сохраняет все характеристики материала и имеет минимальные ограничения по форме.

Технология обеспечивает ряд преимуществ, в том числе печать крупных изделий и без поддержек, что упрощает и сокращает время очистки деталей.

 

Приготовление керамической пасты

Подготовка суспензии имеет первостепенное значение для создания однородных и плотных изделий из керамики. Различные компоненты смешиваются для получения рецептуры с необходимыми свойствами. Составляющих частей, по крайней мере, четыре, а иногда и пять: фоточувствительная смола, фотоинициатор, загуститель, диспергатор (химический реагент) и керамический порошок. Для достижения однородности различные компоненты смешиваются с помощью определенных миксеров.
Состав должен хорошо наноситься тонкими слоями для идеальной полимеризации, что будет способствовать равномерному удаления связующего и спеканию обожженной детали без образования трещин.

Производство керамических деталей

Для применений в медицине разработан фоточувствительный состав на основе керамического порошка фосфатов кальция (HAP гидроксиапатит или TCP трикальцийфосфат) с целью печати заменителей костей. Гидроксиапатит используется для нейрохирургии имплантатов (черепно-лицевых имплантов) с контролируемой пористостью. TCP также применяется в стоматологии и для изготовления заменителей, задействуемых при остеотомии голени.

Другие составы разработаны, в частности, для прецизионного литья с различными спецификациями:

•    микроструктурная пористость, полученная на этапе обжига;

•    материал заготовки не вступает в реакцию с отлитваемым сплавом, но сохраняет свою форму во время литья.

 

В аэрокосмической области нитрид кремния Si3N4 очень популярен. Действительно, это один из самых твердых керамических составов, который обладает высокой механической прочностью при экстремальных температурах. Такие характеристики делают его удачным выбором в отраслях с повышенными требованиями к эффективности, например, в космическом секторе.
Более 20 лет процесс стереолитографии совершенствовался и позволил сегодня лидеру 3D-индустрии печати керамики предложить машины для массового производства. Например, C3600 Ultimate обладает областью построения 600*600*300 мм. Сегодня это единственный 3D-принтер на рынке, который обеспечивает такое рабочее пространство для настройки массового выпуска деталей.

 

Заключение

3D-печать, называемая также аддитивным производством, открывает массу возможностей, в том числе для изготовления деталей, геометрия которых невозможна иным способом. Данная технология дополняет другие производственные процессы. Керамическая 3D-печать сможет продолжать свое развитие, только если она позволит получить качество деталей, аналогичное изделиям, которые производятся традиционными процессами, используемыми в течение многих лет в промышленности. Из всех методов 3D-печати керамики на данный момент времени это позволяет сделать только технология фотополимеризации, и в первую очередь SLA.