Ученые сделали прорыв в 3D-печати керамики без поддержки

Ученые из Цзяннаньского университета в Китае разработали новую технику 3D-печати сложных керамических структур без опор. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, подчеркивает возможности нового метода отверждения на месте для многомасштабных нитей диаметром от 0,41 мм до 3,50 мм.

Этот метод 3D-печати керамикой использует комбинацию прямого письма чернилами (DIW) и фотополимеризации с помощью частиц, индуцированной светом в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR). В рамках двухэтапного процесса сначала применяется давление для экструзии керамической суспензии. Затем на суспензию на выходе из сопла направляется ближний ИК-лазер с длиной волны 980 нм, немедленно затвердевающий и отверждающий материал на месте посредством фотополимеризации. По словам исследователей, это позволяет печатать на 3D-принтере керамические конструкции, которые можно «свободно растягивать в пространстве без поддержки».

Этот новый метод имеет потенциал для ряда ключевых отраслей, включая машиностроение, электронику, энергетику, аэрокосмическую промышленность и биомедицину. Действительно, функциональная керамика, использованная в этом исследовании, обладает рядом превосходных механических свойств, таких как структурная стабильность, коррозионная стойкость и устойчивость к высоким температурам.

«Этот метод принесет больше инноваций в безподдерживаемое 3D-производство керамики сложной формы», — утверждают исследователи, добавляя, что «Неподдерживаемая технология аддитивного производства, основанная на NIR-DIW, открывает более высокие степени свободы для проектирования аддитивного производства керамики».

Авторы добавили, что «методология NIR-DIW будет и дальше расширяться, а керамические геометрии, производимые без поддержки, помогут генерировать больше инноваций и широко применять технологии аддитивного производства».

Традиционные процессы 3D-печати, такие как цифровая обработка света, стереолитография и струйная обработка связующим, позволяют производить керамические детали с высоким разрешением при хороших темпах производства. Однако, по мнению исследователей, некоторые геометрии, например, крупнопролетные (конструкции, охватывающие большое расстояние без промежуточных опор) и детали специальной формы, требуют дополнительных опорных конструкций во время 3D-печати.

Удаление этих опор может создать проблемы, такие как длительное время обработки, более высокая стоимость, неточность размеров и плохое качество поверхности. Кроме того, во время удаления опоры часто могут возникать микротрещины, а удаление внутренней опоры не всегда целесообразно для специально разработанных конструкций с плохой открытостью и сложной формой.

Благодаря этому новому процессу NIR-DIW на месте керамические конструкции с гибкой геометрией и характеристиками можно печатать на 3D-принтере без опорных структур. Кроме того, утверждается, что этот метод снижает рабочую нагрузку на постобработку и время 3D-печати, обеспечивает большую производительность, повышает точность производства и снижает расход материала.

В этом новом методе фотополимеризация с помощью частиц с повышением конверсии (UCP), индуцированная NIR-светом, сочеталась с DIW, чтобы обеспечить отверждение по требованию с контролируемой скоростью.

Во время этого процесса БИК-лазер с длиной волны 980 нм направляется на керамическую суспензию во время экструзии. Регулируя интенсивность облучения и скорость экструзии, суспензию можно практически мгновенно затвердевать и отверждать на месте. Кроме того, процесс 3D-печати не требует нагрева или охлаждения, что делает его «непрерывным и плавным».

Используя этот метод, исследователям удалось практически мгновенно затвердеть многомасштабные нити диаметром от 0,41 мм до 3,5 мм со скоростью до 41 мм/с. В ходе проекта ученые напечатали в 3D ряд безопорных керамических конструкций, включая торсионные пружины и кантилеверы.