В статье: о российском 3D-принтере «Прокерамика-170» для печати «зеленых» керамических заготовок из фотополимеризующейся высоковязкой суспензии для последующего спекания в керамическую деталь.
Введение
Керамическая 3D-печать – не новость. Для производства керамических изделий 3D-печать используется давно, правда, в большинстве случаев речь идет о 3D-печати заготовок («зеленых» деталей) для последующего спекания. Использование наполненных керамическим порошком фотополимеров для этой цели – то же не новость.
Есть фотополимеры с количеством наполнителя 40%, ими иногда можно печатать на обычных SLA/mSLA/DLP 3D-принтерах. При количестве наполнителя более 60% суспензия становится настолько вязкой, для 3D-печати требуются уже специальные установки, позволяющие формировать слой из высоковязкой композиции – об этом я писал здесь и здесь.
Чем выше процент наполнителя – тем меньше усадка при спекании, и тем выше качество получаемого после спекания изделия. В идеале желательно печатать настолько вязкой композицией, что она «не течет» - слой формируется ракелем.
До недавнего времени единственным производителем такого оборудования являлась 3DCeram для керамики, и Inсus для «металлической» SLA 3D-печати.
Но в прошлом году все изменилось – в России создан первый отечественный SLA 3D-принтер «Прокерамика-170», по своим характеристикам не уступающий 3DCeram, а в перспективе способный заменить и Incus. Причем речь идет не о «голом» 3D-принтере, а о связке «материал-оборудование/режим засветки-режимы спекания». И делать, отпечатанная из отечественной суспензии на отечественном принтере, спечённая «правильно» оказывается не просто не хуже, а по ряду параметров – лучше продукции 3DCeram.
Как это удалось и как работает отечественный «керамический» 3D-принтер? Об этом ниже.
Команда создателей и предыстория работы
Команда предприятия «ПроКерамика» состоит из трех человек – Пчелинцев И.Е., Тихонов А.А. и Евлашин С.А.
Первые два – молодые ученые, кандидаты наук, занимающиеся керамическим производством. Евлашин С.А. – профессор ЦМТ Сколтеха.
И если к вопросам по «керамической» части к этой команде нет и быть не может – у команды более сотни научных публикаций, многолетний опыт разработки и спекания различных керамических составов, то по «технической» части возникает вопрос – а как команда «керамистов» сумела создать SLA 3D-принтер? Достаточно сложное и технологической устройство?
Могу упокоить читателей – с «технической» частью все в порядке. Технической частью занимается Власов Д.Ю. – «мозг» ООО «Эксклюзивные решения» (3DSla, Russian SLM), пионер фотополимерной печати в нашей стране, человек в отечественном 3D-принтостроении с 2012 года. Ему не в первой заниматься «керамическими» SLA 3D-принтерами – еще в далеком 2019 году он создал «керамический» принтер AF200 Universal для ООО «Аддитивное производство», но экономическая ситуация тогда была немного иной, и проект «не взлетел».
Тогда проект закончился одним образцом, от которого остались только фотографии в интернете и ролики на ютубе и рутубе:
Что касается «керамистов», то они плотно начали заниматься вопросами фотополимерных композиций примерно с 2019 года, используя вот такое самодельное оборудование:
На этих установках не только были отработаны прототипы составов и режимы засветки, но и отработаны способы формирования слоя, что в случае высоковязких суспензий - принципиально важно
Как работает 3D-принтер «Прокерамика»
Принтер «Прокерамика-170» максимально унифицирован с принтером «Russian SLM» образца 2024 года. В унификации нет ничего плохого – проверенные решения, снижение себестоимости производства. Как и другие разработки Власова он использует слайсер «Триангулятика» (Triangulatica). Засветка осуществляется лазером мощностью 3-5 Вт (для SLA этого достаточно, мощность зависит от частоты импульсов) с длиной волны 355 нм, диаметр пятна лазер 30 мкм. Область построение – цилиндр диаметром 170мм, высотой 200 мм.
Используется очень вязкая композиция с наполнением не менее 80% по массе. Такие композиции «не текут» и имеют пастообразное состояние. Поэтому используется схема с двумя бункерами с подвижным дном – один бункер (или «колодец») построения, второй – бункер («колодец») с исходным материалом.
Цикл печати выглядит примерно таким:
Шаг 1. Опускание дна бункера с фотополимером и деталью на толщину слоя
Шаг 2. Подъем дна бункера с материалом
Шаг 34. Разравнивание слоя фотополимера подвижным ракелем
Шаг 4. Выборочная засветка слоя.
Шаг 1. Опускание дна бункера с фотополимером и деталью на толщину слоя
Скорость печати достигает 120-250 слоев в час, толщина слоя от 10 до 100 мкм
Ниже – фотографии, поясняющие устройство принтера:
Построение «сверху-вниз» и использование очень вязкой суспензии позволяет отказаться от контактных опорных структур – как таковые поддержки не нужны, но иногда требуются «плавающие» поддержки, которые отделены от основной детали тонким слоем (400-500 мкм) незасвеченной суспензии. Отсутствие контактных поддержек позволяет печатать «зеленые» детали практически без ограничений на геометрию. Точнее – ограничения есть, но они связаны с усадкой и термическими напряжениями, возникающими при спекании и сложностью очистки от незасвеченной суспензии.
После печати дно бункера построения поднимается и детали очищаются от незасвеченной суспензии. Для этого используются шпатели и кисточки, незасвеченную суспензию можно использовтаь повторно. Окончательно детали очищают промывкой и/или при помощи сжатого воздуха.
После этого «зеленая деталь» спекается, вначале при спекании удаляется (выгорает или разлагается) связующее, потом происходит спекание в единую керамическую деталь.
В целом связка «материал-оборудование/режим засветки-режимы спекания» обеспечивает геометрическую точность порядка «плюс-минус» 0,1 мм, шероховатость поверхности не хуже Ra3,2 мкм, минимальная толщина стенки/перемычки – 0,35…0,4 мм, максимальная толщина стенки может достигать 14 мм для Al2O3 (для сравнения – 3DCeram обеспечивает максимальную толщину стенки не более 8 мм – толстые стенки трескаются при спекании):
Заключение
Отличная команда, прекрасные результаты. А еще – уход с рынка РФ европейских конкурентов, и отсутствие конкурентов китайских… Мне бы очень бы хотелось убрать вопросительный знак из заголовка и оставить только восклицательный.
НО!
1) На рынке есть «керамические» DLP-принтеры от Am.Tech (крупноузловая сборка китайской продукции под своим брендом), которые могут создать серьезную конкуренцию, несмотря на худшие характеристики и серьезные ограничения на геометрию печатаемых изделий.
2) Узость рынка. Потребность в подобном оборудовании сравнительно невелика. Областей, где 3D-печать керамики экономически оправдана – не так много (двигателестроение – печать керамических стержней для литься лопаток, медицина, стоматология, печать форсунок и сопел для различных областей).
Весь мировой объем 3D-принтеров для высокоточной керамической печати, покрываются мощностями 3DСeram и Lithoz. Рынок РФ еще меньше…
3) Опасность появления конкурентов из Китая или Росатома.
4) Дороговизна оборудования
Но, как говорится – будем посмотреть.
Предыдущие статьи про печать высоковязкими суспензиями: