Аннотация
Введение 3
1 Обзор аддитивных технологий с использованием керамических материалов 6
1.1 Технологии с применением порошковых материалов 6
1.2 Классификация и сравнение аддитивных технологий 24
1.3 Высокоэффективные керамические материалы для процессов аддитивного
производства 24
1.4 Требования к порошкам применяемых в аддитивных технологиях 26
1.5 Синтез порошков на основе керамики для аддитивного производства .... 29
2 Материалы, объекты и методики исследования 30
2.1 Исходные материалы и объекты иследования 30
2.2 Методики иследования 31
3 Закономерности формирования структуры и физико-механических свойств
керамики ЛЬОТ полученной аддитивными методами. 33
3.1 Подготовка сомолы 33
3.2 Подготовка кармической суспензии 34
3.3 Печать образцов 36
3.4 Спекание образцов 37
3.5 Структура полученных материалов 40
4 Практическое применение результатов диссертационного исследования .. 42
4.1 Варианты использования разработанных составов 42
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 45
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 46
Аддитивная технология (АТ), представляет собой процесс изготовления, при котором изделие изготавливается слой за слоем. АТ обеспечивает гибкость для производства сложных конструкций с относительно небольшими усилиями, временем и затратами, что позволяет более индивидуально подходить к изготовлению продуктов. Поскольку обрабатывающая промышленность перешла от массового производства одноразовой продукции к производству по индивидуальному заказу, чтобы лучше удовлетворять индивидуальные потребности клиентов [1] и повышать экономическую конкурентоспособности, АТ открыл возможности для более творческого подхода и изучения новых возможностей
Аддитивная технология была внедрена в конце 1980 -х годов. С тех пор было опубликовано множество работ, отражающих интерес и важность этой области. Ряд обзорных статей были посвящены процессам изготовления [2] и материалам, таким как: металл [3,4], полимеры [5], керамика [6] и различные композиты [7].
В последние годы резко возросло использование керамических материалов с высокими эксплуатационными свойствами. Однако до тех пор, пока не были внедрены процессы A^ компаниям было трудно удовлетворить спрос из-за проблем с производством высокопроизводительных керамических материалов [8] со сложной геометрией и индивидуальным дизайном [9,10]. Высокопроизводительная керамика (ВК) обладает такими характеристиками, как высокая прочность на изгиб и растяжение, высокая термодинамическая стабильность (или устойчивость к нагреву), коррозия, истиранию и окислению [11]. Она также чрезвычайно легкая и имеет выдающуюся стабильность размеров даже в термически агрессивных и абразивных средах. Были внедрены специальные порошковые материалы ВК для аддитивных технологий, которые исследуются с целью повышения универсальности для различных применений. На рисунке 1 изображено несколько примеров 3
применения АТ с использованием керамических материалов. ВК обычно подразделяют на оксиды, карбиды и нитриды [9]. Наиболее широко используются оксиды. Из них Al2O3 является наиболее часто используемым конструкционным материалом благодаря своей высокой химической и термической стойкости его часто используют в таких областях, как изоляционные и биомедицинские устройства [12]. Также оксиды используются для пьезоэлектрического эффекта, термической чувствительности и электропроводности используются в лямбда датчиках ZrO2, в приводах и тиглях MgO, а для защиты от высоких температур используют Al2O3, TiO2.
Процессы механической обработки, такие как фрезерование или шлифование, приводят к сильному износу инструмента и снижению производимости материалов, что приводит к высоким производственным затратам. Из-за ограничений геометрии и усадки во время спекания использование ВК исторически было исключено для множеств применений. Использование технологий 3D печати может решить многие из вышеописанных ограничений.
Несмотря на множество различных исследований в области 3-D печати с использованием керамических материалов, стабильных и отработанных технологий, компаний предоставляющих услуги 3-D печати по всему миру не так много, среди них: Lithoz, 3D Ceram, Admatec, Tethon, Additive fabrication, Innovax. Так же одной из существующих проблем является сложность в получении пригодной для 3-D печати суспензии с содержанием керамики от 70 масс. %. Которая будет отверждаться достаточно быстро не теряя при этом свойств исходного материала. В связи с этим актуальной задачей является изучение механизмов получения высоконаполненных керамических суспензий и разработка керамической суспензии с использованием порошка ВК95-1 для применения в стереолитографической 3-D печати, изучение структуры и свойств полученных материалов.
В результате проведенных исследований были разработаны научнотехнологические режимы получения керамик методом
стереолитографической 3-D печати из высоконаполненных
фотоотверждаемых суспензий с содержанием порошка ВК95-1.
Определена зависимость глубины отверждения монослоя от концентрации фотоинициатора радикальной полимеризации.
Проведен анализ термического разложения исходного связующего.
Построен вариант термического режима для спекания керамики.
Проведены исследования кажущейся и истинной плотностей материала, определена величина усадки после спекания.
Определена величина усадки полученных образцов.
По результатам исследования можно сделать следующие основные выводы:
1. Установлено, что при введении 0,5 масс. % фотоинициатора достигается наибольшая толщина монослоя. Средняя глубина отверждения монослоя при 30 секундной полимеризации равна 250 мкм.
2. Разработан состав фотоотверждаемой суспензии, содержащий 70 масс. % ВК95-1 и 0,5 масс. % TPO для 3-D печати керамических изделий по технологии DLP и многоступенчатый режим спекания с максимальной температурой 1650С обеспечивающий полное удаление связующего (фотополимера).
3. Геометрическая усадка спеченных образцов по оси Z составила 25%, а по осям X и Y 20%, усадка по массе составляет порядка 30 масс. %. Плотность спеченных образцов составила 85% от теоретической плотности используемого материала (3,68 г/см3).
4. В результате добавления 0,5 масс. % TPO время печати сократилось на 25% по сравнению с аналогичным составом без добавления TPO.
