Что такое керамическая 3D-печать и где ее применяют

Революция в искусстве и технологиях: как 3D-печать создает керамику будущего

Когда речь заходит о керамике, воображение рисует гончарный круг, податливую глину и огонь печи. Однако сегодня эта древнейшая область творчества переживает радикальную трансформацию. На смену или, точнее, в дополнение к традиционным методам приходит аддитивное производство — 3D-печать керамикой.  Керамическая 3D-печать представляет собой значительный шаг вперед по сравнению с печатью пластиком и даже металлом, предлагая уникальные свойства готовых изделий: прочность, термостойкость, биосовместимость и экологичность. Эти возможности теперь доступны и в России благодаря новым отечественным разработкам

Пример изделия, изготовленного по технологии лазерной стереолитографии. Материал - оксид алюминия

Не только искусство: почему керамика так востребована?

Керамика ценится далеко не только за эстетику. Её уникальные свойства — высокая термостойкость, твёрдость, химическая инертность, отличные диэлектрические показатели — делают её незаменимым материалом для самых требовательных отраслей. Однако именно эти свойства (особенно твёрдость и хрупкость) и ограничивали сложность форм, которые можно было создать традиционными методами, такими как литьё в формы или механическая обработка.

Существует несколько ключевых технологий 3D-печати керамикой, каждая со своей спецификой и областью применения:

Лазерная стереолитография

Установки для печати керамикой на основе стереолитографической технологии состоят из:

- УФ-лазера со сканирующей системой;

- Платформы, на которой строится объект. Она может подниматься и опускаться;

- Системы подачи пасты;

- Ракеля для размазывания пасты по платформе;

- Платформы, на которой строится объект.

Для работы с такими 3D-принтерами необходима керамическая паста с оптимальными реологическими свойствами. Процесс печати производится слой за слоем. После завершения процесса печати объект подвергается процессу спекания (высокотемпературному обжигу). Это делает изделие прочным и устойчивым к окружающей среде эксплуатации.

3D-принтеры по технологии DLP. Принцип их работы очень похож на SLA машины. Отличие заключается в использовании DLP-проекторов вместо лазеров для засветки светочувствительного керамического материала, который затвердевает под воздействием ультрафиолетового света. Характеризуются более высокой скоростью печати при чуть худшем разрешении.

3D-принтеры FDM | FGF. Используют керамические филаменты или гранулы, которые плавятся и наносятся слой за слоем для создания объекта. Это экструдерные 3D-принтеры для керамики. Работают по принципу выдавливания керамической массы, формируя объект слой за слоем, материал как правило термопластичен и застывает на воздухе. Они более доступны по сравнению с SLA или SLS, имеют возможность использовать различные типы керамических материалов. Однако и ожидать от них чудес с точки зрения точности и разрешения явно не стоит. Это скорее бюджетное решение для создания крупных заготовок, а не готовых изделий. Не подходит для выращивания прецизионных изделий.

Селективные лазерные 3D-принтеры для керамики (SLS). Их принцип работы заключается в нанесении тонкого слоя керамического порошка, похож на SLM-печать. Затем используется лазер для спекания порошка. К преимуществам таких моделей относятся высокая точность, а к недостаткам - очень сложная реализация ввиду гораздо большей требуемой энергии для спекания керамического порошка, по сравнению с металлом.

Выбор конкретного типа 3D-принтера зависит от ТЗ, бюджета и наличия выбора материалов и от ожидаемого качества и габаритов печатаемых объектов.

Напечатать изделие - лишь половина пути

Этапы постобработки: почему это важно

Готовность отпечатанной модели — это только половина пути. Постобработка керамических изделий — критически важный этап, который придает детали ее финальные свойства.

Сушка: Напечатанная «сырая» деталь осторожно сушится для удаления влаги.

Отжиг в печи: Изделие помещается в специализированную печь для отжига, температуры достигают 1000-1100 С. На этом этапе удаляется органическое связующее.

Спекание: На этом этапе происходит усадка (которая должна быть точно просчитана на этапе моделирования) и спекание частиц, что придает керамике ее классическую прочность. Температуры достигают 1400-1800 С.

Именно из-за этих этапов термической пост-обработки общее время изготовления готовой керамической детали значительно превышает время печати пластиком.

Пример изделия, изготовленного по технологии лазерной стереолитографии. Материал - оксид алюминия

Сферы применения: от медицины до авиакосмоса

Выдающиеся свойства напечатанной керамики — термостойкость, химическая инертность, биосовместимость и диэлектрические характеристики — открывают двери для самых требовательных отраслей.

Медицина и стоматология: С помощью керамических 3D-принтеров изготавливают индивидуальные имплантаты, костные скаффолды (каркасы для восстановления тканей) и стоматологические протезы .

Машиностроение и авиация: Создание износостойких, жаропрочных деталей (например, форсунок, подшипников), компонентов для аэрокосмической техники и литейных форм для сложного литья.

Наука и образование: Оборудование такого класса ввиду своей новизны рассчитано на применение в первую очередь в исследованиях и мелкосерийном производстве, что делает его идеальным для университетских лабораторий и высокотехнологичных стартапов. 

Выбор конкретной технологии зависит от сферы применения: экструзия подходит для крупных объектов и художественной керамики, SLA принтеры – для деталей из технической керамики с высокой точностью, например, в машиностроении и электронике. 

С чего начать печать керамикой?

Если вы хотите освоить керамическую 3D-печать, важно понимать, что это потребует инвестиций в специальное оборудование (принтер и печь для обжига, а возможно и две печи, оборудование для хранения замешивания материалов) и глубокого изучения материаловедения. Однако результат того стоит — вы получите доступ к технологии, позволяющей создавать изделия, не уступающие по качеству традиционной керамике, но с неограниченной свободой дизайна. На сегодняшний день порог входа в технологию еще не позволяет говорить о том что этот метод стал массово доступен любителям 3D-печати, однако в индустрии керамическая печать уже заняла свое место, проходя путь металлической 3D-печати с отставанием в 10-15 лет. Оставайтесь с нами, в ближайших материалах планируем рассказать более подробно о каждой технологии в отдельности, а также остановимся на самих материалах для керамической 3д-печати и текущем прогрессе в отрасли в целом.