CC BY
30ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ЗР-ПЕЧАТИ КЕРАМИКОЙ И СИНТЕРИЗАЦИИ НА ПОЛУЧЕНИЕ
ТОНКОСТЕННЫХ МОДЕЛЕЙ БЕЗ ПОВОДОК
Питерсков П.П., Побирохин Г.С., Власов Д.Ю.
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и
оптики, Санкт-Петербург, Россия ООО «Аддитивное Производство», Санкт-Петербург, Москва pitersкоv@mail.ru, qennady.pobirokhin@qmail.com, boris. voloskov@skoltech.ru
Процесс формирования керамических изделий с помощью 30-печати получил широкое развитие и достиг высоких показателей по точности и шероховатости. 30-печать керамикой подразумевает использование керамической пасты на основе керамического порошка и фоточувствительного полимера с последующим удалением связующего из образца (термическая обработка). Считается, что технология SLA (стереолитография) является наиболее известной и популярной технологией 30-печати керамикой и широко используется во всем мире [1]. На данный момент существует множество зарубежных исследований влияния параметров печати на качество поверхности изделия [2,3], однако большая их часть касается печати полимерами, где полученное изделие является конечной продукцией и не требует последующей термообработки.
Для проведения исследования использовался отечественный 30-принтер для печати керамикой по методу SLA модели AF200 (производитель - ООО «Аддитивное производство»). В качестве образцов использовались керамические пластины.
Режимы печати пластин были подготовлены в программе Triangulatica (толщина слоя, стратегия закраски, шаг закраски и другие). Было напечатано 9 образцов пластин с разной толщиной слоя (по 3 каждого типа) с разными характеристиками. Основные параметры образцов и режимов печати представлены ниже.
Таблица 1 - Параметры печати и характеристики пластин
Пластины №1 Пластины № 2 Пластины № 3
Габариты 20x5x40 мм
Материал Керамическая паста (порошок фарфора (размер частиц до 5 мкм) с полимерным связующим) с сод. твёрдого 44%
Рафт Сплошной, высота 1 мм
Скорость сканирования 11000 мм/с
Толщина слоя 100 мкм | 50 мкм | 25 мкм
Стратегия закраски Простая двунаправленная
Шаг закраски 150 мкм
После печати и промывки водой полученные образцы (Рисунок 1) были помещены в печь. Термоообработка в печи имеет 2 этапа: удаление связующего (выжигание) и окончательный обжиг образцов. Данные процессы производились в одной печи, но на разных температурных режимах.
Рисунок 1 - Образцы, полученные с помощью ЗР-печати по методу SLA.
Для исследования влияния среды, в которой производится термообработка, три группы пластин (по 3 пластины в каждой группе) были распределены в рабочей зоне печи следующим образом:
1) 3 пластины разной толщины слоя (100 мкм, 50 мкм, 25 мкм) были погружены в металлический короб, заполненный кварцем. Согласно исследованиям некоторых авторов[4], помещение образцов в песок позволяет осуществлять процесс нагрева более равномерно и уменьшить процесс усадки.
2) 3 пластины разной толщины слоя (100 мкм, 50 мкм, 25 мкм) были погружены в слой циркониевых шариков, которые засыпаны в печь.
3) Оставшиеся 3 пластины (100 мкм, 50 мкм, 25 мкм) расположили сверху на поверхности циркониевых шариков.
По результатам термообработки были получены 3 группы пластин с большим количеством трещин, разрывами и поводками (Рисунок 2).
Рисунок 2 - Фото образцов после термической обработки.
Исходя из измерений процента усадки изделий по осям (около 22% независимо от расположения объектов и режимов печати), толщина слоя и другие режимы печати не влияют на качество поверхности и геометрию конечного изделия в условиях приведённых термических режимов и используемого материала. Также в результате термообработки был сделан вывод, что расположение керамических объектов на этапе термообработки в свободном положении в печи (без погружения в какой-либо материал) позволяет осуществлять нагрев наиболее равномерно и позволяет полимеру испаряться стабильнее. На основе полученных результатов были сделаны следующие выводы:
1. Химический состав полимера требует доработки для более постепенного и плавного процесса его выпаривания из изделия.
2. Необходимо уменьшить размер фракции порошка с используемого (около 5 мкм) до диапазона 0.01 - 1 мкм.
3. Необходимо увеличить процентное содержание керамического порошка в пасте с диапазоне от 55% до 65% для уменьшения процента усадки.
4. Требуется увеличить продолжительность процессов удаления связующего и синтеризации для уменьшения вероятности возникновения поводок и трещин.
5. Требуется корректировка стратегии закраски с целью увеличения плотности изделия после печати. Вышеупомянутые выводы были применены для печати новой пластины. Напечатанная пластина прошла
процесс удаления связующего и синтеризации. На выходе удалось получить образец со значительно меньшими отклонениями по геометрии, меньшей усадкой и лучшим качеством поверхности. Усадка по 3 осям составила: по оси х - 10,3%, по оси у - 9,8%, по оси т. - 16,7%. Внешний вид образца представлен на Рисунке 3.
Рисунок 3 - Фото пластины, созданной на новых режимах печати и термообработки.
На основе полученных результатов и выводов поставлены следующие задачи дальнейшего исследования:
1. Необходимо разработать керамическую пасту с содержанием твёрдого 60% для уменьшения процента усадки.
2. Изготовить несколько групп образцов пластин с заданными физико-механическими свойствами.
3. Провести контроль геометрии полученных образцов после термообработки.
4. Провести разрушающие испытания образцов.
5. Зафиксировать оптимальные параметры печати, режимы печати и термообработки для данного материала.
1. 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.
2. Raju B.S., Chandrashekar U., Drakshayani D.N., Chockalingam K. Determining the influence of layer thickness for rapid prototyping with stereolithography (SLA) process. International Journal of Engineering Science and Technology. 2010. 2(7). 3199-3205.
3. Ibrahim A., Sa'ude N., Ibrahim M. Optimization of process parameter for digital light processing (DLP) 3D printing. Proceedings of Academics World 62nd International Conference. South Korea. 2017.
4. Толкачева A.C., Павлова И.А. Общие вопросы технологии тонкой керамики: учеб. пособие. 2018. 184.
