Вчені зробили прорив у 3D-друці кераміки без підтримки

Вчені з Цзяннанського університету в Китаї розробили нову техніку 3D-друку складних керамічних структур без опор. Дослідження, опубліковане в журналі Nature Communications, наголошує на можливості нового методу затвердіння на місці для багатомасштабних ниток діаметром від 0,41 мм до 3,50 мм.

Цей метод 3D-друку керамікою використовує комбінацію прямого листа чорнилом (DIW) та фотополімеризації за допомогою частинок, індукованої світлом у ближньому інфрачервоному діапазоні (NIR). В рамках двоетапного процесу спочатку застосовується тиск для екструзії керамічної суспензії. Потім на суспензію на виході з сопла направляється ближній ІЧ-лазер з довжиною хвилі 980 нм, негайно твердне матеріал на місці за допомогою фотополімеризації. За словами дослідників, це дозволяє друкувати на 3D-принтері керамічні конструкції, які можна вільно розтягувати в просторі без підтримки.

Цей новий метод має потенціал для низки ключових галузей, включаючи машинобудування, електроніку, енергетику, аерокосмічну та біомедичну  промисловість. Дійсно, функціональна кераміка, використана в цьому дослідженні, має ряд чудових механічних властивостей, таких як структурна стабільність, корозійна стійкість та стійкість до високих температур.

«Цей метод принесе більше інновацій у 3D-виробництві кераміки складної форми, що не підтримується», — стверджують дослідники, додаючи, що «Непідтримувана технологія адитивного виробництва, заснована на NIR-DIW, відкриває вищі ступені свободи для проєктування адитивного виробництва кераміки».

Автори додали, що «методологія NIR-DIW буде й надалі розширюватися, а керамічні геометрії, які виробляються без підтримки, допоможуть генерувати більше інновацій та широко застосовувати технології адитивного виробництва».

Традиційні процеси 3D-друку, такі як цифрова обробка світла, стереолітографія та струминна обробка, дозволяють виробляти керамічні деталі з високою роздільною здатністю при хороших темпах виробництва. Однак, на думку дослідників, деякі геометрії, наприклад, великопрогонові (конструкції, що охоплюють велику відстань без проміжних опор) та деталі спеціальної форми, потребують додаткових опорних конструкцій під час 3D-друку.

Видалення цих опор може створити проблеми, такі як тривалий час обробки, вищу вартість, неточність розмірів і погану якість поверхні. Крім того, під час видалення опори часто можуть виникати мікротріщини, а видалення внутрішньої опори не завжди доцільно для спеціально розроблених конструкцій з поганою відкритістю та складною формою.

Завдяки цьому новому процесу NIR-DIW на місці керамічні конструкції з гнучкою геометрією та характеристиками можна друкувати на 3D-принтері без опорних структур. Крім того, стверджується, що цей метод знижує робоче навантаження на постобробку та час 3D-друку, забезпечує більшу продуктивність, підвищує точність виробництва та знижує витрату матеріалу.

У цьому новому методі фотополімеризація за допомогою частинок з підвищенням конверсії (UCP), індукована NIR-світлом, поєднувалася з DIW, щоб забезпечити затвердіння на вимогу з контрольованою швидкістю.

Під час цього процесу БІК-лазер із довжиною хвилі 980 нм спрямовується на керамічну суспензію під час екструзії. Регулюючи інтенсивність опромінення та швидкість екструзії, суспензію можна практично миттєво змусити затвердіти на місці. Крім того, процес 3D-друку не вимагає нагрівання або охолодження, що робить його «безперервним та плавним».

Використовуючи цей метод, дослідникам вдалося практично миттєво висушити багатомасштабні нитки діаметром від 0,41 до 3,5 мм зі швидкістю до 41 мм/с. У ході проєкту вчені надрукували в 3D низку безопорних керамічних конструкцій.