ПНИПУ и «НПО «Керамет» определили формулу импортного связующего для MBJ 3D-печати

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета и НПО «Керамет» провели детальный анализ импортного связующего для струйно-порошковой 3D-печати металлами (Metal Binder Jetting, MBJ). Это позволит создать отечественный аналог для замещения зарубежных поставок с возможным снижением стоимости.

Технология Metal Binder Jetting предусматривает последовательное нанесение слоев металлического порошка и выборочное напыление связующего с последующим отжигом и спеканием получаемых заготовок. Остаточный порошок можно просеивать и использовать заново. Метод позволяет достаточно быстро и экономично получать заготовки цельных металлических деталей сложной формы, в том числе с комплексной внутренней геометрией, например интегрированным каналами. Построение опорных структур не требуется, значительно сокращая трудозатраты на чистовую постобработку. Технология позволяет в том числе выращивать крупногабаритные детали.

Доля струйно-порошковой 3D-печати на российском рынке остается незначительной, что отчасти связано с дефицитом импортных связующих и отсутствием отечественных аналогов. Связующее должно быть достаточно текучим для стабильной подачи, но в то же время достаточно прочным после отверждения для сохранения заданной формы заготовок. В общих чертах известно, что подобные материалы содержат акрилаты, формальдегидные смолы и растворители, но точные рецепты не раскрываются. Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета и специалисты научно-производственного объединения «Керамет» детально изучили состав импортного двухкомпонентного связующего, сообщает пресс-служба вуза на портале Naked Science.

Исследователи определили компоненты и их соотношение в связующих смесях. Анализ жидкой основы начался с метода ядерно-магнитного резонанса, выявившего воду, органические вещества и признаки крупных полимерных цепей. Выпаривание показало, что на летучие добавки приходятся 17,8% массы. Сравнив «магнитные отпечатки» исходной жидкости и сухого остатка с базой данных, ученые идентифицировали ключевые добавки.

«Каждая из них выполняет определенную функцию: метиловый эфир пропиленгликоля обеспечивает нужную текучесть для прохождения через сопла принтера, пропиленгликоль помогает образованию пленки и препятствует засыханию, N,N-диметилэтаноламин регулирует кислотность среды, стабилизируя состав, а бутиловый эфир диэтиленгликоля выступает в роли медленного растворителя, замедляющего высыхание для равномерного пропитывания слоя металлической основы», — рассказала профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ Светлана Оглезнева.

Для точной идентификации состава применили два метода. Инфракрасная спектроскопия позволила выявить основу материала — стирол-акрилатный сополимер. С помощью хромато-масс-спектрометрии, разделяющей смесь на компоненты и определяющей их массу и структуру, подтвердили состав растворителей и обнаружили следы вещества, запускающего полимеризацию.

Исследование геля-отвердителя также началось с ИК-спектроскопии. Ученые выяснили, что основа геля — меламино-формальдегидная смола, модифицированная метанолом. Это означает, что для повышения стабильности продукта присоединили спиртовые группы. 13% массы геля составляет вода, придающая нужную консистенцию. Элементный анализ сухого остатка дал точное соотношение: углерод — 40,10%, водород — 7,71%, азот — 28,11%, кислород — 24,08%.

«Ключевая роль этого геля — быть отвердителем. При нагревании в печи он вступает в реакцию с основой из компонента А, создавая между цепями прочные поперечные связи. Этот процесс, называемый сшивкой, формирует единую трехмерную сетку, которая и придает напечатанной заготовке необходимую механическую прочность перед окончательным спеканием. Дополнительная проверка показала, что компонент В — это практически чистая смола, разбавленная водой, без значительных посторонних примесей», — рассказала заместительница генерального директора по научно-исследовательской работе НПО «Керамет» Татьяна Поздеева.

Результаты исследования опубликованы в сборнике «Перспективные технологии реверс-инжиниринга и быстрого прототипирования». 

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.