CC BY
46
УДК
Рогова А.Н., Чувикина М.С., Беляков А.В., Вартанян М.А., Адршина Е.А.
ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АДДИТИВНЫХ МЕТОДОВ В ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
2
Рогова Алена Николаевна , студентка 1 курса магистратуры факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов; e-mail: ralena12@ gmail. com
2
Чувикина Мария Сергеевна , студентка 1 курса магистратуры факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов;
Беляков Алексей Васильевич , д.х.н., профессор кафедры химической технологии керамики и огнеупоров;
Вартанян Мария Александровна1, к.т.н., доцент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров;
2
Адршина Елена Анатольевна , аспирантка 4 курса специальность Химическая технология.
1 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия. 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
2 Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук, Москва, Россия. 119334, г. Москва, Ленинский проспект, 49
В данной статье рассматриваются основные аддитивные методы получения керамических материалов, оцениваются достоинства и недостатки применения методов 3D-печати в технологии производства керамики.
Ключевые слова: керамика, аддитивные технологии, 3D-печать, аддитивное производство (АМ).
PROSPECTS FOR THE USE OF ADDITIVE METHODS IN THE PRODUCTION OF CERAMIC MATERIALS
Rogova A.N.1'2, Chuvikina M.S.1'2, Belyakov A.V.1, Vartanyan M.A.1, Adrshina E.A.2
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
2 A.A. Baikov Institute of metallurgy and Material Sciences of RAS, Moscow, Russia
This article discusses the main additive methods for obtaining ceramic materials and assesses the advantages and disadvantages of using 3D printing methods in the production of ceramics.
Keywords: ceramic, additive technologies, 3D-printing, additive manufacturing (AM).
Высокие температуры плавления многих керамических материалов затрудняют их использование в аддитивном производстве по сравнению с металлами и полимерами. В настоящее время только с помощью аддитивных технологий можно получить керамические изделия сложной формы и структуры, поскольку стандартными методами переработки керамики значительно сложнее добиться формирования сложных геометрических форм. Существенными
недостатками, возникающими в процессе переработки керамики, является пористость и неоднородность, влияющие на конечную прочность изделий за счет образования трещин.
Кроме того, большая усадка при спекании, составляющая 15 ± 20%, ограничивает геометрическую точность конечного изделия и требует существенной дополнительной
механической обработки. Эти недостатки ограничивают использование керамики, несмотря на ее превосходные свойства, такие как возможность работы при высоких температурах, сохраняя достаточно высокую прочность [1].
Разработка полимерно-керамических
материалов обеспечит возможность варьирования в широком диапазоне конечных свойств изделия за счет изменения молекулярной структуры, состава
полимера и использования различных наполнителей и модификаторов. Это позволит управлять подвижностью макромолекул полимеров в поверхностном слое и, тем самым, регулировать скорость, глубину процесса отверждения и его температуру. Частичное превращение органического полимера в органические и неорганические гибридные материалы позволит получать новые материалы, проявляющие свойства и полимеров, и керамики.
На сегодняшний день существует острая потребность в разработках новых способов получения полимерно-керамических материалов, которые бы позволяли быстро производить неорганические керамические компоненты сложных геометрических форм с минимальной усадкой.
Целью данной работы является выявление перспективности использования методов аддитивной печати на этапе формования керамических изделий.
В последние годы в производство стали широко внедряться аддитивные технологии, позволяющие изготавливать изделия из керамики. Большая часть из них представляет собой послойное получение изделий, и, лишь некоторые предлагают изготовление изделий либо путем селективного отверждения светочувствительной смолы, содержащей керамические частицы, либо путем
селективного осаждения жидкого связующего агента на керамические частицы (струйное связывание), либо селективного расплавления порошкового слоя лазером [2, 3]. Сегодня возрастает интерес к новым способам получения трехмерных микроструктур, при изготовлении которых невозможно использование традиционных технологий в связи с высокими требованиями к геометрии и точности получаемых изделий.
Трехмерные керамические микроструктуры широко востребованы для использования в устройствах, где невозможно использование полимеров в чистом виде. Например, если их применяют при высоких температурах или в агрессивных средах, а также для изготовления изделий с повышенной механической и химической стойкостью [4].
Широко известными способами переработки керамических порошков являются селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering - SLS), струйная трехмерная печать (Three-Dimensional Printing - 3DP), метод послойного наплавления (Fused Deposition Modeling - FDM) и стереолитография (Stereolithography Apparatus -SLA).
Селективное лазерное спекание являются хорошо известными аддитивного производства керамических порошков, в то время как технологии стереолитографии используют для изготовления керамических компонентов, начиная с керамической суспензии.
Метод селективного лазерного спекания (SLS) основан на использовании порошков, которые превращаются в сплошное твердое вещество. Первым этапом является формирование тонкого непрерывного слоя порошка, а на следующем и решающем этапе, либо связующее вещество распыляют струйным способом (распыление связующего вещества), либо применяют лазерное облучение для связывания частиц. Порошки, которые можно использовать, варьируют от гипса, который затвердевает при контакте с жидким связующим,
и 3D-печать способами
до
А
пластиковых
Ri
п
или в
металлических
Зеркало
-Ь- ..
УФ-отверждаемые мономеры и УФ-фотоимициаторы
УФ-лаэер Зеркал*
частиц, способных к спеканию (например, нейлона и титана) при локальном нагревании мощным лазером
[5].
Важно отметить, что основной аддитивной технологией получения керамических изделий является стереолитография (SLA). Однако, несмотря на высокую точность печати, при отверждении усадка полимера настолько сильна, что приводит к деформированию поверхности изделия, а, значит, точность воспроизведения заметно уменьшается.
Перспективным способом получения керамических материалов является моделирование методом послойного наплавления (FDM), который основан на фазовом переходе из твердого в текучее состояние термопластичных филаментов. Нить проходит через нагретое сопло (обычно при 100-300°C), и, как только расплавленный пластик помещается в нужное место, он охлаждается и сразу затвердевает. FDM-метод также рекомендуют для получения крупногабаритных компонентов сложной формы.
В других процессах изготовления трехмерной керамики, таких как изготовление объектов методом ламинирования (Laminated object manufacturing -LOM) и автоматизированное производство ламинированных конструкционных материалов (Computer-Aided Manufacturing of Laminated Engineering Materials - CAM-LEM), используют материалы в виде листов. Именно технология LOM позволяет изготавливать передовые керамические конструктивные элементы как с однородной, так и многослойной композитной микроструктурой высокой прочности. Однако, для использования как порошков, так и суспензий, требуются однородно диспергированные частицы, необходимые для получения высокого качества поверхности. Также это касается и листовых керамических материалов, которые должны обладать высокой однородностью, гибкостью и адгезией [6, 7].
Технология получения полимерно-
керамических полуфабрикатов представлена на Рисунке 1 [8].
Термообработка
УФ л.,
Стереолитография
Пиролиз
Юме
Пре-керамический полимер
Керамический материал
Рисунок 1 - Аддитивное производство полимерно-керамических полуфабрикатов: (А) УФ-отверждаемые пре-
керамические мономеры смешивают с фотоинициатором; (B) смола подвергается воздействию ультрафиолетового света на 3D-принтере SLA; (C) получение пре-керамической полимерной детали; (D) превращение полимера в керамику пиролизом; (E) пробковый винт SLA 3D; (F и G) микро-решётка, полученная
SPPW; (H) соты
Для технологии производства керамики рекомендуют выбирать методы печати, которые способны производить материалы наилучшего разрешения с наименьшей дисперсностью (до 50 мкм), что позволяет печатать трехмерные объекты с оптимальными оптическими и механическими свойствами [9-11].
Главным достоинством представленных в данной статье методов производства керамических изделий является достаточно высокая точность получения материалов сложной геометрической формы с заданными характеристиками структуры. Следует отметить, что методы аддитивной печати позволяют иногда получать керамические материалы с наименьшей усадкой.
К недостаткам относят низкую скорость изготовления деталей и трудоемкость процессов удаления связующего. Кроме того, наличие остаточной пористости, неоднородностей, трещин и усадки в таких изделиях неизбежно, хотя иногда оно не превышает показатели изделий, произведенных по традиционной технологии.
Таким образом, использование аддитивных методов печати на этапе формования керамических полуфабрикатов способно иногда получать достаточно большую плотность изделий, уменьшить их усадку и пористость, что говорит о перспективности такой технологии. Одной из важных проблем современных аддитивных технологий является часто недостаточная чистота поверхности получаемых заготовок.
Авторы выражают благодарность за оказанную помощь в написании данной работы к.т.н. Анохину А.С., к.т.н. Стрельниковой С.С.
Данная работа написана в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по
приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы».
Список литературы
1. Стрельникова С.С., Андрианов Н.Т., Анохин А.С. Влияние различных технологических параметров на свойства покрытий на основе муллита. В кн.: V междунар. конф.-школа по
химической технологии, Волгоград, 16-20 мая 2016. С. 293-295.
2. Guo Y., Ji Z., Zhang Y., Wang X., Zhou F. Solvent-free and photocurable polyimide inks for 3D printing // Journal of Materials Chemistry A. 2017. V. 5. №31. P. 16307-16314.
3. Wang F., Chong Y., Wang F., He C. Photopolymer resins for luminescent three-dimensional printing // Journal of Applied Polymer Science. 2017 V. 134. №32. P. 44988.
4. Han Y., Yeo C. C. J., Chen D., Wang F., Chong Y., Li X., Wang F. Nanowire enhanced dimensional accuracy in acrylate resin-based 3D printing // New Journal of Chemistry. 2017. V. 41. №16. P. 8407-8412.
5. Halloran J. W. Ceramic stereolithography: additive manufacturing for ceramics by photopolymerization // Annual Review of Materials Research. 2016. V. 46. P. 19-40.
6. Chen Z., Song X., Lei L., Chen X., Fei C., Chiu C. T., Chen Y. 3D printing of piezoelectric element for energy focusing and ultrasonic sensing // Nano Energy. 2016. V. 27. P. 78-86.
7. Chartier T., Dupas C., Geffroy P. M., Pateloup V., Colas M., Cornette J., Guillemet-Fritsch S. Influence of irradiation parameters on the polymerization of ceramic reactive suspensions for stereolithography // Journal of the European Ceramic Society. 2017. V. 37. №. 15. P. 4431-4436.
8. Zhang S., Sha N., & Zhao Z. Surface modification of a-Al2O3 with dicarboxylic acids for the preparation of UV-curable ceramic suspensions // Journal of the European Ceramic Society. 2017. V. 37. №. 4. P. 1607-1616.
9. Eckel Z.C., Zhou C., Martin J.H., Jacobsen A. J., Carter W. B., Schaedler T.A. Additive manufacturing of polymer-derived ceramics // Science. 2016. V. 351. № 6268. P.52-62.
10. Методы получения керамических композитных мембран с нано- и микропорами / Ю. М. Аверина, Е. О. Рыбина, Г. Е. Калякина, Е. Н. Субчева // 40я Международная научная конференция Евразийского Научного Объединения. — Т. 40 из Интеграция науки в современном мире. — Москва: ЕНО Москва, 2018. — С. 39-41.
11. Development of nanofiltration ceramic membrane production technology / Y. M. Averina, A. Y. Kurbatov, D. A. Sakharov, E. N. Subcheva // Glass and Ceramics. — 2020. — Vol. 77, Nos. 3 - 4. — P. 98-102.
