Традиционные лазерные технологии группы «синтез на подложке» подразумеваю либо сплавление (SLM) либо спекание (SLS) порошка.
Но есть еще один вариант технологии, когда используется вместо порошка суспензии, гели или золи керамических порошков.
Строго говоря, технологии синтеза из жидкой фазы не относится к группе технологий "синтез на подложке".
Схема процесса следующая:
- формируется слой жидкого материала
Слой формируется ракелем с подачей материала из соседнего бункера с поднимающимся дном, либо струйным нанесением из блока струйных головок.
Возможно нанесения слоя из подвижного бункера с последующим разравниванием ракелем.
- при необходимости слой высушивается ИК-лампами или расфокусированным лазерным излучением
- происходит выборочное воздействие лазерным лучом на слой материала в пределах текущего сечения выращиваемой детали.
Возможный вариант технологии:
Возможные варианты воздействия лазерного луча на жидкий материал:
лазерный луч высушивает суспензию
лазерный луч инициирует фазовый переход гель/золь
лазерный луч частично спекает частицы суспензии, геля, золя.
Как вариант – запускает химическую реакцию, приводящую к спеканию частиц.
лазерный луч производит полное плавление суспензии, геля, золя.
При этом перед плавлением суспензии обязательно производится высушивание нанесенного слоя расфокусированным лазерным лучом.
Лазерно-индуцированное шликерное литье
Английское название технологии - LIS (Laser Induced Slipcasting)
В качестве материала используется густой шликер (фарфоровый, фаянсовый, глиняный).
Лазерный луч послойно высушивает шликер в соответствии с сечением детали.
Схема процесса была дана выше
По окончании печати невысушенный шликер сливается, а деталь досушивается и подвергается обжигу по стандартному техпроцессу.
Деталь находится в жидком шликере, поэтому обязательно должны использоваться опорные структуры, или деталь должна быть простой формы, позволяющей её выращивать «от подложки» без опорных структур.
Метод используется фирмой Lithoz в промышленных масштабах для изготовления деталей из карбида кремния (Si3N4).
Метод требует высокую однородность нагрева лазерным лучом, в противном случае возможны дефекты в виде пор на границах слоев:
Примеры деталей, сделанных из карбида кремния по этой технологии:
Толщина слоя 0,4 мм. Как видно из фотографий – технология вполне может формировать мосты приемлемого качества длиной в несколько сантиметров.
Керамическое лазерное гелеобразование (CLG - ceramic laser gelation)
Альтернативное название технологии – выборочное (селективное) лазерное гелеобразование (SLG – Selective laser gelation)
В качестве материала используется силикатный золь в смеси с порошком оксида алюминия Al2O3.
Под воздействием лазерного луча золь переходит в гель, при этом он становится более вязким, со временем уплотняется, становится жестким и сшивается в трехмерную сеть.
Получается «зеленая» заготовка, которая подвергается спеканию при температуре порядка 1200 градусов по Цельсию.
Так же возможно использование порошка диоксида кремния SiO2 и силикатного золя.
После спекания получается деталь из чистого диоксида кремния («кварцевого стекла»).
Деталь формируется в жидкости, поэтому необходимы опорные структуры.
Керамическое лазерное спекание (CLS – ceramic laser sintering)
Спекание подразумевает достаточно высокие температуры, поэтому нанесенный слой суспензии обязательно высушивается ИК-лампами или расфокусированным лазерным лучом. Деталь формируется внутри неспекшегося материала, поэтому опорные структуры не нужны, из массива неспекшегося материала деталь извлекается промывкой в воде.
Есть несколько вариантов этого процесса.
1. Используется суспензия из диоксида кремния, силикатного золя и глины.
Лазерный луч производит выборочное спекание за счет расплавления глины.
Получается достаточно прочна деталь, которая может быть подвергнута дополнительному спеканию.
2. Используются порошок сырья для керамики (например Al2O3) и поливиниловый спирт (PVA, по-русски ПВС, не путать с ПВА!).
Поливиниловый спирт используется двух модификаций – частично гидролизированный (нерастворимый в воде PVA BF) и полностью гидролизированный (растворимый в воде PVA BC).
Порошок сырья плакируется нерастворимой модификацией. Суспензия для 3D-пчеати делается из смеси плакированного порошка и водного раствора PVA BC.
При сканировании лазерный луч сплавляет PVA BF и PVA BC в смесь, нерастворимую в воде, создавая «зеленую» деталь.
Деталь формируется внутри массива материала, поэтому опорные структуры не нужны.
«Зеленая» деталь извлекается из массива промывкой в воде и подвергается спеканию в печи, во время которого связующее (PVA) выгорает, а частицы порошка спекаются в единую керамическую деталь.
3. В качестве материала используется суспензия из фосфата алюминия AlPO4 и диоксида кремния SiO2.
Нанесенный слой суспензии высушивается ИК-лампами или расфокусированным лазерным лучом.
Лазерный луч выборочно нагревает смесь до 250 градусов по Цельсию, при которой происходит химическая реакция с образованием керамики на фосфатном связующем. В результате получается готовая деталь, не требующая дополнительного обжига или термообработки.
Керамическое лазерное плавление (CLF – ceramic laser fusion)
При плавлении температуры еще выше, чем при спекании, поэтому нанесенный слой суспензии обязательно высушивается ИК-лампами или расфокусированным лазерным лучом. Деталь формируется внутри неспекшегося материала, поэтому опорные структуры не нужны, из массива неспекшегося материала деталь извлекается промывкой в воде.
Варианты данного процесса:
1. Используется суспензия гидроокиапатита ((Ca10(PO4)6(OH)2, ГАП), фарфоровый шликер или суспензия оксида алюминия и диоксида кремния (Al2O3-SiO2).
Лазерный луч выборочно сплавляет высушенный слой материала в единую деталь.
Детали получаются достаточно прочные для непосредственного использования, плотность деталей составляет 86-92%.
При необходимости детали можно подвергнуть дополнительному спеканию в печи, при этом они дают усадку, а плотность увеличивается до 96%.
2. Используется суспензия из материала для спекания и органического связующего.
При засветке лазером связующее выгорает, а частицы основного материала спекаются в керамическую деталь.
Варианты технологии:
Суспензия из диоксида кремния, золя оксида кремния и поливинилового спирта (PVA, ПВС).
При засветке лазерным лучом поливиниловый спирт выгорает, а частицы диоксида кремния спекаются в единую деталь из кристобалитового диоксида кремния.
Суспензия из оксида алюминия, и раствора полиакриловой кислоты в этаноле.
При засветке лазерным лучом этанол и полиакриловая кислота испарялись, получалась деталь из оксида алюминия.
Заключение
Использование суспензий вместо порошка позволяет уменьшить термические напряжения при спекании/сплавлении, в некоторых случаях отказаться от опорных структур, получать более плотные и менее пористые детали.
Технология может быть использована только в керамическом производстве, т.к. большинство металлов в порошкообразном состоянии очень активны и могут легко окислиться при приготовлении и хранении суспензии.
Основное препятствие для внедрения данной технологии – отсутствие серийного оборудования, приспособленного для нанесения суспензий. Исключение - технология LIS, используемая фирмой Lithoz
Второе препятствие – дороговизна технологии. Спекание/плавление лазером – более затратный процесс, по сравнению со спеканием в печи, а «зеленые» детали для последующего спекания по стандартному CIM-процессу могут быть сделаны на более дешевом оборудовании.
Вводная статья про группу технологий «синтез на подложке»:
