Найти тему
ПРОТЕХ

Струйное нанесение наночастиц (NJP)

Оглавление

Струйное нанесение наночастиц (NJP)

Технология изобретена и запатентована компанией XJet Ltd. в 2016 году (патент США сер. № 15/029 815) под руководством Х. Готаита (H. Gothait). В мае того же года она была впервые представлена на выставке RAPID 2016: 3D Printing and Additive Manufacturing для демонстрации печати металлических деталей, а уже в ноябре на выставке Formnext 2016 продемонстрирована первая опытная установка печати керамических изделий. В настоящее время все права на применение данного метода печати в соответствии с зарегистрированным в 2021 году патентом US20210354365A1 “3D Particle Printing” (является частичным продолжением патента 2016 года) принадлежат XJet Ltd. В соответствии с ГОСТ Р 57589 (ASMT F2792-12A) данный метод можно отнести к категории процессов «Струйное нанесение материала» (Material Jetting).

Терминология

В англоязычной литературе для обозначения данного метода обычно используют запатентованное XJet наименование технологии NanoParticle Jetting (NPJ).

На русском языке информация о данной технологии печаталась лишь в электронных новостях некоторых сайтов, также данный метод упоминался в каталоге «Аддитивные технологии», выпущенном Агентством промышленного развития города Москвы. В связи с этим для единообразия применяемой в трехмерной печати терминологии в данной статье будет употребляться термин «струйное нанесение наночастиц» (СНН).

Принцип печати

Для реализации СНН 3D-принтер имеет 24 печатающие головки (половина — для нанесения конструкционного материала, половина — для материала поддержки), каждая из которых содержит 512 сопел. Все печатающие головки объединены в печатающий блок. Применяя термины литейного производства (по выполненным на каждом этапе заготовкам), разделим процесс печати следующим образом:

  • «зеленый» этап;
  • «коричневый» этап;
  • заключительный этап.

«Зеленый» этап

Печать осуществляется нанесением слоя наночернил (состав указан в разделе «Материалы») из струйных сопел. Метод формирования капель неизвестен, предположительно аналогичный ПКНМ. После формирования капля падает на нагретую рабочую платформу, температура которой поддерживается равной +160…+230 °C. Когда капли наночернил соприкасаются с горячей поверхностью, жидкость-носитель начинает испаряться, оставляя частицы, покрытые тонким слоем связующего. Для поддержания процесса испарения за печатающим блоком следует нагревательная лампа, состоящая из шести галогенных ламп, и источник горячего воздуха. После полного испарения жидкости-носителя оставшиеся частицы могут связываться между собой. Затем выравнивающий валик перемещается по вновь напечатанному слою для определения его высоты. С этого момента система сравнивает полученное расстояние по вертикали с заданным и регулирует расположение печатающего блока при подготовке к печати следующего слоя.

По завершении этого этапа получается «зеленое» изделие, то есть изделие-заготовка, состоящее из металлического порошка и полимера. Схема процесса проиллюстрирована на рис. 1.

Рис. 1. Схема процесса струйного нанесения наночастиц («зеленый» этап)
Рис. 1. Схема процесса струйного нанесения наночастиц («зеленый» этап)

«Коричневый» этап

После печати всех необходимых слоев дальнейшая постобработка обеспечивает окончательную микроструктуру. Вначале изделие охлаждается, находясь внутри камеры построения. Потом рабочая платформа с изделиями вынимается из принтера и помещается в сушильный шкаф, чтобы обеспечить прочность в сыром виде. Затем процесс удаления подложки завершается в емкости с растворителем, где материал подложки растворяется. На выходе этого этапа получается «коричневое» изделие, то есть изделие после удаления связующего.

Заключительный этап

Наконец, готовые детали транспортируются в печь для спекания, где деталь подвергается воздействию высоких температур для достижения почти полной плотности и конечных свойств материала.

Материалы

Используются запатентованные XJet металлические (нержавеющая сталь, предположительно марки 316L) и керамические (диоксид циркония) наночернила и чернила с растворимым материалом поддержки. В августе 2021 года компания анонсировала применение оксида алюминия.

Применяемые чернила представляют собой диспергированные наночастицы металла или керамики, взвешенные в жидкости, которая выполняет роль раствора-носителя. Наночастицы внутри суспензии являются стохастическими (разной формы и размера).

Подобный состав позволяет поддерживать вязкость чернил в определенном диапазоне, необходимом для реализации процесса печати, но имеет некоторые недостатки. Например, невозможность точно контролировать структуру осаждения материала, поскольку он удерживается внутри раствора-носителя, и образование осадков, ведущих к засорению сопла.

Принтеры

В настоящее время в связи с тем, что право на использование метода СНН есть только у компаний XJet, количество 3D-принтеров на рынке ограничено двумя линейками:

  • Carmel C (для керамических изделий);
  • Carmel M (для металлических изделий).

Печать ПП

Технология имеет большой потенциал развития, но пока не использовалась для печати двумя функциональными материалами одновременно (в данном случае металлом и керамикой). В связи с чем к настоящему моменту попытки применения данной технологии для изготовления ПП отсутствуют. Тем не менее компании XJet постоянно совершенствует свою технологию, что позволяет надеяться на реализацию подобной системы в будущем. Однако сейчас уже возможно применение СНН для изготовления керамических листов для высокочастотной электроники.

Я. Ох (Y. Oh) с соавторами провели исследования образцов диоксида циркония (ZrO2), изготовленных СНН. В результате работы были получены следующие сведения:

  • кристаллографический анализ показал, что образцы представляют собой смесь моноклинного (53%) и тетрагонального диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (47%);
  • рентгенофлуоресцентная спектроскопия показала элементный состав 91% ZrO2 и 9% Y2O3 (по массе);
  • программа TOPAS показала наличие 87% кристаллической и 13% аморфной фаз;
  • средний размер частиц составлял 69 мкм со стандартным отклонением 31,2 мкм;
  • микроскопический анализ показал незначительное наличие дефектов или полостей, указывающих на очень низкую пористость и высокую плотность образцов;
  • наблюдаемая усадка образцов после спекания в среднем составила 18% со стандартным отклонением 0,98%;
  • предполагается, что плотность и усадка образцов будут сильно зависеть от профиля спекания;
  • диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь на микроволновых частотах составили 23 и 0,0013 соответственно (аналогично значению, ожидаемому для кристаллического состава).

Полученные измеренные средние значения характеристик представлены в таблице.

Таблица. Полученные результаты измерений диэлектрических характеристик пяти испытанных образцов
Таблица. Полученные результаты измерений диэлектрических характеристик пяти испытанных образцов

Я. Ох и соавторы также продемонстрировали возможность изготовления прямоугольной диэлектрической резонаторной антенны и синусоидальной спиральной антенны с напечатанной методом аэрозольного нанесения материала серебряной спиралью.

Авторы

Ольга Смирнова
olga.smirnova.nik@gmail.com

Юлия Боброва
ju.s.bobrova@bmstu.ru

Константин Моисеев
k.moiseev@bmstu.ru

Оригинал

Обращайтесь по любым вопросам!

Подписывайтесь на наш канал, а также следите за нами в социальных сетях:

➡️ Telegram

➡️ VK

➡️ YouTube