Ceramika SLS: badanie potencjału proszku ceramicznego w selektywnym spiekaniu laserowym

Wraz z rozwojem technologii druku 3D pojawiają się nowe granice materiałowe – a ceramika należy do najbardziej intrygujących. Tradycyjnie kojarzone z odlewaniem, spiekaniem lub frezowaniem, materiały ceramiczne znajdują obecnie miejsce w procesach produkcji addytywnej, szczególnie w metodach opartych na proszku, takich jak selektywne spiekanie laserowe (SLS). Należy zauważyć, że materiały ceramiczne nie mogą być topione za pomocą lasera, tak jak polimery; większość systemów „ceramicznych SLS” wykorzystuje wspomagane spoiwem podejście podobne do SLS, po którym następuje usuwanie spoiwa i spiekanie w wysokiej temperaturze.

Idea SLS ceramic jest prosta w koncepcji, ale złożona w wykonaniu: wykorzystanie spiekania laserowego do produkcji precyzyjnych, odpornych na ciepło i stabilnych chemicznie części z proszków ceramicznych. Od lotnictwa po stomatologię, możliwość drukowania ceramiki technicznej o skomplikowanej geometrii i wysokiej wydajności otwiera zupełnie nowe możliwości – ale także wprowadza różne wyzwania związane z materiałami i przetwarzaniem.

Jak działa druk ceramiczny SLS

Drukowanie SLS zazwyczaj obejmuje tworzywa termoplastyczne, takie jak PA12, ale proces ten można dostosować do ceramiki. W tej konfiguracji drobny proszek ceramiczny jest rozprowadzany w cienkich warstwach, a laser selektywnie topi lub utwardza spoiwo, które tymczasowo utrzymuje cząstki razem, zamiast topić samą ceramikę. W przeciwieństwie do SLS opartego na polimerach, drukowanie ceramiki często wymaga podejścia opartego na spoiwie – przy użyciu organicznego dodatku, który utrzymuje kształt podczas drukowania, a następnie jest usuwany w fazie usuwania wiązań i spiekania.

Rezultatem jest zielona część (tj. nie w pełni zagęszczona), która musi zostać poddana spiekaniu końcowemu w wysokich temperaturach, aby uzyskać wymagane właściwości materiału, takie jak twardość, odporność termiczna lub obojętność chemiczna. Podczas spiekania część zazwyczaj ulega znacznemu skurczowi – często od 15% do 25% – co musi zostać skompensowane na etapie projektowania. Niektórzy producenci zamiast tego badają druk ceramiczny oparty na litografii (LCM) lub wtryskiwanie spoiwa jako alternatywy, ponieważ metody te oferują wyższą precyzję i bardziej niezawodne zachowanie spiekania niż tylko laserowe stapianie ceramiki.

Zalety i zastosowania ceramicznego SLS

Części ceramiczne drukowane metodą SLS oferują właściwości użytkowe, które rywalizują lub przewyższają metale i polimery w specjalistycznych kontekstach. Ich odporność na wysoką temperaturę, korozję i zużycie sprawia, że idealnie nadają się do:

środowiska o wysokiej temperaturze – takie jak komory spalania, osłony termiczne i elementy izolacyjne,
sprzęt do przetwarzania chemicznego – gdzie odporność na korozję i stabilność termiczna mają krytyczne znaczenie,
zastosowania medyczne i dentystyczne – w tym biokompatybilne implanty, korony lub prowadnice chirurgiczne,
komponenty elektroniczne – stosowane w izolatorach lub częściach rozpraszających ciepło dla zaawansowanej elektroniki.

Co więcej, druk ceramiczny pozwala na uzyskanie geometrii niemożliwych do obróbki maszynowej, takich jak siatki, kanały wewnętrzne lub lekkie elementy konstrukcyjne o złożonej topologii.

Kluczowe wyzwania techniczne

Pomimo swojego potencjału, ceramika SLS wiąże się ze stromą krzywą uczenia się. Proszki ceramiczne zachowują się inaczej niż polimery – są bardziej kruche, mniej wybaczające i wymagają ściślejszej kontroli temperatury, skurczu i przyczepności warstw. Ponadto proszki ceramiczne mają niższą przewodność cieplną i wyższą temperaturę topnienia, co sprawia, że bezpośrednie topienie laserowe jest niepraktyczne i wymaga procesów wspomaganych spoiwem. Inne główne wyzwania obejmują:

wymagania dotyczące obróbki końcowej – po drukowaniu należy dokładnie kontrolować usuwanie lepiszcza i spiekanie, aby zapobiec pękaniu lub wypaczaniu,
kruchość materiału podczas przenoszenia – zielone części (przed spiekaniem) są kruche i podatne na pękanie w przypadku niewłaściwego obchodzenia się z nimi,
porowatość i kurczliwość – nawet niewielkie niespójności podczas drukowania lub spiekania mogą powodować wewnętrzne puste przestrzenie lub niedokładność wymiarów.

Dodatkowo, wybór proszku ceramicznego ma ogromne znaczenie. Nie wszystkie materiały ceramiczne nadają się do SLS, a te, które są (takie jak tlenek glinu, tlenek cyrkonu lub krzemionka) muszą być zoptymalizowane pod kątem płynności, ziarnistości i spiekalności.

Skąd pozyskać proszek ceramiczny do SLS

Zakup proszku ceramicznego do druku 3D nie jest tak prosty, jak zakup filamentu lub proszku polimerowego. Wyspecjalizowani dostawcy zaspokajają potrzeby związane z produkcją addytywną i zazwyczaj oferują proszki ceramiczne o wąskim rozkładzie wielkości cząstek, niskiej zawartości wilgoci i wysokiej czystości. Proszki te są opracowane specjalnie do ceramicznego AM opartego na spoiwie lub fotopolimerze, a nie do bezpośredniego spiekania laserowego.

Do zaufanych dostawców należą:

3DCeram – oferuje gotowe systemy ceramiczne SLS i kompatybilne proszki.
Lithoz – znany z druku ceramicznego opartego na litografii, ale także rozwijający opcje proszkowe.
Baikowski – specjalizuje się w tlenku glinu o wysokiej czystości i innej ceramice technicznej dostosowanej do AM.

Aby obniżyć koszty, często zaleca się zamówienie próbek lub małych partii do testów. W przypadku większych zleceń obowiązują rabaty ilościowe – ale ze względu na wysoki koszt proszków ceramicznych, strategie recyklingu i odzysku mają kluczowe znaczenie.

Perspektywy na przyszłość: czy ceramika SLS jest kolejną granicą?

Ceramiczny SLS, choć wciąż niszowy, szybko zyskuje na popularności. Stanowi połączenie tradycyjnej nauki o materiałach z nowoczesnymi innowacjami addytywnymi – umożliwiając zastosowania, które wcześniej uważano za niemożliwe. Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na wysokowydajne części w lotnictwie, opiece zdrowotnej i elektronice, możemy spodziewać się ciągłych inwestycji w badania i rozwój w tej dziedzinie.

Spodziewajmy się przyszłego rozwoju systemów wiążących, dostrajania lasera i protokołów ponownego wykorzystania proszku, które sprawią, że ceramiczny SLS będzie bardziej dostępny i ekonomicznie opłacalny. Ulepszenia w zakresie kontroli spiekania, przewidywania skurczu i chemii usuwania lepiszcza będą miały kluczowe znaczenie dla wprowadzenia ceramicznego druku proszkowego do szerszego zastosowania przemysłowego. Wraz ze wzrostem dostępności materiałów i poprawą kontroli procesu, ceramiczny SLS może stać się standardową ofertą obok polimerowego i metalowego SLS.

← Poprzedni

Polimer z pamięcią kształtu do druku 3D

Następny →

Szkło SLS: wyzwania i potencjał proszku szklanego w selektywnym spiekaniu laserowym

Zobacz również