RU2777114C1 - Способ 3d-печати изделий активированной ультразвуком струей порошкового материала, пластифицированного термопластичной связкой - Google Patents
Способ 3d-печати изделий активированной ультразвуком струей порошкового материала, пластифицированного термопластичной связкой Download PDFInfo
- Publication number
- RU2777114C1 RU2777114C1 RU2021126715A RU2021126715A RU2777114C1 RU 2777114 C1 RU2777114 C1 RU 2777114C1 RU 2021126715 A RU2021126715 A RU 2021126715A RU 2021126715 A RU2021126715 A RU 2021126715A RU 2777114 C1 RU2777114 C1 RU 2777114C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- binder
- printing
- products
- thermoplastic
- Prior art date
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 43
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 title claims abstract description 26
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims description 39
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 title claims 2
- 238000007639 printing Methods 0.000 title description 12
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 claims abstract description 21
- ZQPPMHVWECSIRJ-KTKRTIGZSA-N Oleic acid Chemical compound CCCCCCCC\C=C/CCCCCCCC(O)=O ZQPPMHVWECSIRJ-KTKRTIGZSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000005642 Oleic acid Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 7
- 235000013871 bee wax Nutrition 0.000 claims abstract description 6
- 239000012166 beeswax Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000007792 addition Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 4
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims description 3
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 50
- 239000012254 powdered material Substances 0.000 description 21
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N AI2O3 Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 4
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 3
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N Silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 3
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 3
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 3
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 3
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N Zirconium(IV) silicate Chemical compound [Zr+4].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 2
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N calcium monoxide Chemical compound [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 2
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Chemical compound [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N oxozirconium Chemical compound [Zr]=O GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000001993 wax Substances 0.000 description 2
- 229910052845 zircon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052846 zircon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000505 Al2TiO5 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017083 AlN Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N Silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 description 1
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N Sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000883 Ti6Al4V Inorganic materials 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N TiO Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910009043 WC-Co Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052849 andalusite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000000292 calcium oxide Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000423 chromium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 1
- 229910052570 clay Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010431 corundum Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 1
- 239000002612 dispersion media Substances 0.000 description 1
- 238000002224 dissection Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 238000005187 foaming Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 229910001677 galaxite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- -1 grog Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001691 hercynite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 229910001119 inconels 625 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 1
- 159000000003 magnesium salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000008204 materials by function Substances 0.000 description 1
- 239000002609 media Substances 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000623 nickel–chromium alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- TWXTWZIUMCFMSG-UHFFFAOYSA-N nitride(3-) Chemical compound [N-3] TWXTWZIUMCFMSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- CNRZQDQNVUKEJG-UHFFFAOYSA-N oxo-bis(oxoalumanyloxy)titanium Chemical compound O=[Al]O[Ti](=O)O[Al]=O CNRZQDQNVUKEJG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged Effects 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 238000000110 selective laser sintering Methods 0.000 description 1
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N silicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004760 silicates Chemical class 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 description 1
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 229920005992 thermoplastic resin Polymers 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001929 titanium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N trioxochromium Chemical compound O=[Cr](=O)=O WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению порошковых изделий путем 3D-печати. Может использоваться для получения изделий сложной геометрической формы. Путем предварительного размола металлического или керамического порошка с добавлением олеиновой кислоты и последующего смешивания с парафином и пчелиным воском готовят термопластичную дисперсию, содержащую керамический или металлический порошок с максимальным размером частиц, не превышающим 10 мкм, в качестве дисперсной фазы и 12,5-20 мас. % термопластичной связки в виде смеси, содержащей, мас. %: парафин 70-94, пчелиный воск 5-29,8, олеиновую кислоту 0,2-1. Формирование изделия осуществляют путем послойного нанесения по заданной траектории расплавленной при 70-80°С и предварительно активированной продольными ультразвуковыми колебаниями струи. Затем проводят спекание для удаления связки и получения поликристаллического изделия. Обеспечивается получение прочных изделий сложной геометрической формы с высокими эксплуатационными характеристиками. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.
Description
Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно, к технологиям трехмерной печати изделий и может быть использовано для получения изделий сложной геометрической формы из порошковых материалов.
Из уровня развития техники и технологий известны различные способы трехмерной печати изделий с применением 3D принтеров, в частности: стереолитография (послойное отверждение жидкого фотополимера лазерным лучом); селективное лазерное спекание порошкообразных материалов (послойное спекание порошкообразных материалов лазерным лучом); склеивание порошкообразных материалов (послойное соединение порошкообразных слоев материалов связующими (клеящими) веществами).
Способы основаны на следующих технологических операциях: автоматизированное проектирование изделия с использованием САПР-программы; программное формирование модели спроектированного изделия с «рассечением» его на горизонтальные слои; программирование толщины и формы каждого сечения изделия; изготовление (печать) изделия последовательным наложением слоев друг на друга с получением заданного контура каждого слоя, формируемого методом, характерным для конкретного метода 3D-печати.
В зависимости от конкретного назначения изделий для их печати могут быть использованы различные материалы: металлические и керамические порошки, жидкие смолы, воск, пластик, композитные материалы и пр.
Несомненными достоинствами данных технологий являются: отсутствие необходимости в проектировании и использовании сложной и дорогостоящей оснастки; возможность получения изделий сколь угодно сложной геометрической формы; получение изделий с уникальными свойствами за счет обеспечения оптимальных условий для приготовления порошкообразного материала.
Известен способ трехмерной печати изделий [1], включающий формирование изделия по его горизонтальному сечению последовательным нанесением слоев порошкообразного материала и нанесением жидкого связующего на каждый слой порошкообразного материала с конфигурацией, соответствующей данному слою сечения модели с повторением данных операций для образования последовательных слоев с тем, чтобы получить трехмерное изделие с последующим его отверждением, например, посредством обжига. В качестве порошкообразных материалов используются, в частности, окись алюминия, двуокись циркония, циркон, карбид кремния, причем, при приготовлении порошкообразного материала более крупные частицы порошкообразного материала используются в сухом виде, а мелкие – как в сухом, так и во влажном состоянии, а в качестве связующих материалов используют органические связующие материалы, которые могут быть легко удалены, например, источником тепла, или неорганические материалы, например, на основе силикатов (силикат натрия, тетраэтилортосиликат).
В результате анализа данного известного решения необходимо отметить, что использование силикатных связующих при формировании изделия снижает его огнеупорность, полученные изделия хрупки, склонны к повреждениям и не обладают высокими эксплуатационными характеристиками.
Известен способ трехмерной печати огнеупорных изделий [2], включающий создание программной 3D модели изделия, программное деление модели изделия на слои в поперечном сечении с последующим формированием изделия в кассете, которое осуществляется послойно, последовательным нанесением слоев порошкообразного материала друг на друга, нанесение профиля сечения модели на каждый слой порошкообразного материала жидким связующим, уплотнение пропитанного связующим каждого слоя установленными на боковых стенках кассеты вибраторами, причем в качестве порошкообразного материала используют материал, состоящий из смеси дисперсного и зернистого огнеупорного материала, в котором зернистый огнеупорный материал с размером зерна более 0,5 мм составляет от 10 до 60 мас.%, а доля дисперсного огнеупорного материала с размером зерна менее 0,1 мм составляет от 40 до 90 мас.%. Порошкообразный материал предварительно приготавливают из одного или смеси двух или более огнеупорных компонентов, выбранных из группы, включающей: оксид магния, оксид алюминия, оксид кальция, диоксид кремния, диоксид циркония, оксид хрома, оксид титана, титанат алюминия, магнезиальная шпинель, герцинит, галаксит, шамот, андалузит, циркон, смешивая в смесительных бегунах до получения однородной массы. В качестве жидкого связующего используют растворы солей магния и/или органическое связующее и/или гидравлическое вяжущее. Полученное изделие для набора прочности подвергают термообработке с последующей сушкой.
В результате анализа данного способа необходимо отметить, что инициируемые в полученном слое изделия установленными на боковых стенках кассеты вибраторами продольные колебания распространяются вдоль объема слоя и не могут привести к существенному уплотнению порошкообразного материала, тем более, когда он уже пропитан связующим, которое частично склеило частицы порошкообразного материала и отвердело. Это существенно снижает прочность изделия. Весьма существенно и то, что при изготовлении крупногабаритных тонкостенных изделий формируемые слои могут разрушаться возбуждаемыми в порошкообразном слое за счет колебаний сдвиговыми процессами. Изложенные выше обстоятельства не позволяют при использовании данного способа получать высокопрочные изделия с изотропными свойствами.
Анализ открытых источников, посвященных 3D-печати конструкционной керамики, показывает отсутствие сложившегося консенсуса в выборе магистрального метода получения ответственных изделий.
Например, Институт керамических технологий и систем им. Фраунгофера (Германия) в 2019 году представил установку для 3D-печати методом инжекции разносоставных материалов (MMJ) [3]. Метод базируется на разработанной технологии, основанной на капельном осаждении наполненного частицами термопластичного шликера. Определенное перекрытие отдельных капель позволяет получать плотный полуфабрикат. Механизм затвердевания практически не зависит от физических свойств используемых материалов, так как определяется теплофизическими свойствами парафина. Технология позволяет формовать детали из металлов, твердых сплавов, а также из оксидных, нитридных и карбидных керамических материалов. После формовки проводят процесс освобождения от технологической связки и спекание. Использование высокоточных микро-дозирующих систем (micro-dosing systems, MDS) позволяет генерировать объемы капель в нанолитровом масштабе. В зависимости от динамической вязкости используемого сырья параметризация цикла дозирования позволяет реализовать диаметр капель от 300 до 1000 мкм и высоту слоя от 100 до 200 мкм. Установка MMJ имеет платформу построения размером 200x200x180 мм, которая перемещается в направлениях X, Y и Z под действием до четырех встроенных MDS и датчика положения. Максимальная скорость платформы построения составляет 60 мм/с. Система оснащена новейшими аппаратными компонентами, обладающими точностью позиционирования ≤ 20 мкм и повторяемостью ≤ 5 мкм. Установка может печатать материалами на основе Аl2О3, ZrO2, ТіO2, Si3N4, АlN, WC-Co, стекол, нержавеющей стали AISI 316L и др. функциональных материалов.
По другому пути пошли разработчики 3D-принтеров из компании WASP (Италия), разработав технологию моделирования осаждением жидкости (Liquid Deposit Modeling LDM). Устройство [4] этой компании изготавливает 3D-печатные объекты из материала, пластифицированного технологической связкой на основе воды, такого как бетон, фарфор, глина, металлические порошки и другие. Материал для печати нового слоя подается из дюзы в виде «нити» в результате работы шнекового экструдера (обеспечивающим давление до 40 Атм.). Использование шнекового экструдера позволяет тонко регулировать, при необходимости прерывать и перезапускать поток «нити» без ущерба для точности изделия, а также избежать возникновение пузырей воздуха при нагнетании. Для надежной работы шнекового экструдера в его подпорную магистраль производится подача пластифицированного материала (с давлением до 8 Атм.) при помощи вспомогательного подающего поршневого насоса.
Разработчики 3D-принтеров из компании 3DCeram (Франция) [5] серийно изготавливают установки, работающие по методу стереолитографии (stereolithography, SLA). Печатная камера такой установки равномерно заполняется тонким слоем светочувствительного материала, а затем луч света от лазера формирует печатный слой. Точность полученных изделий, в т.ч. при использовании аппаратов с большой печатной камерой, определяется минимальной толщиной печатного слоя, которая составляет 10 мкм, и горизонтальным разрешением, обусловленным диаметром пятна, которое создает лазерный луч — от 35 мкм. Важное достоинство SLA-технологии — возможность создавать объекты сложной формы без контактных поддержек. 3D-принтеры 3DCeram предназначены для использования только одного печатного материала при печати. Использовать керамические фотополимерные пасты достаточно просто. После окончания процесса печати рабочий стол поднимается в верхнее положение, и оператор легко снимает его вместе с напечатанной деталью и остатками материала. Поскольку паста обладает высокой вязкостью она не стекает с печатного стола. Деталь необходимо промыть в специальном растворе, после чего провести термообработку.
Однако для снижения вязкости и повышения жидкотекучести (необходимыми для качественной печати) в каждом из вышеописанных случаев используются крайне мелкие керамические частицы (до 10 мкм) и высокое содержание технологической связки (до 30…40 вес.%), что влечет за собой высокую пористость отформованных заготовок.
Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) нашли способ снизить пористость заготовок после 3D-печати – они разработали технологию 3D-печати заготовок из композитов на базе карбида кремния, упрочненного его же волокнами [6]. Исследователи использовали в качестве исходного материала при 3D-печати порошок SiC сферической или неправильной формы. Для 3D-печати заготовок использовался метод инжекции связующего (Binder Jetting). В результате были изготовлены пористые заготовки с требуемой геометрией, далее проводили несколько циклов обработки, состоящих из пропитки заготовок керамообразующим полимером с последующим пиролизом (термическим разложением) для придания заготовкам необходимой прочности и улучшения их свойств. В результате пропитки и пиролиза остаточные поры в изделии были заполнены армирующей фазой, состоящей из волокон карбида кремния.
Другой вариант борьбы с пористостью заготовок при 3D-печати предложили ученые Мельбурнского королевского технологического института (RMIT, Австралия) [7], которые выяснили, что ультразвуковое воздействие во время 3D-печати методом прямого лазерного осаждения позволяет получать металлические изделия повышенной прочности и даже регулировать механические характеристики отдельных участков.
Идея ультразвукового воздействия в какой-то мере позаимствована из порошковой металлургии: перед прессованием порошковые материалы нередко уплотняются с помощью ультразвуковых вибраций. Австралийская же команда провела эксперименты по ультразвуковому уплотнению прямо во время 3D-печати: идея заключается не в компактировании исходного порошка, а в изменении микроструктуры получаемых изделий. При ультразвуковом воздействии на спекаемый материал образуется более плотная и прочная микроструктура с более мелкими и равноосными зернами. Ученые проверили идею на технологии прямого лазерного осаждения (Direct Energy Deposition, DED), где порошок напыляется на субстрат струей газа и выборочно спекается лазерным излучателем. Разница заключалась лишь в том, что к субстрату подключили сонотрод и 500-ваттный пьезоэлектрический преобразователь с частотой колебаний в 20 кГц. Основным материалом во время исследований служил порошок титанового сплава Ti-6Al-4V. В ходе опытов команде удалось добиться повышения предела текучести и прочности на 12% и с жаропрочным никель-хромовым сплавом Inconel 625.
К сожалению, данный метод не универсален и приемлем только для 3D печати металлических литейных сплавов, допускающих спекание лазерным излучением.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является устройство аппарата и способ создания трехмерных объектов методом наплавляемого слоя (Fused Deposition Modeling, FDM) или методом наплавляемого филамента (нити) (Fused Filament Fabrication, FFF) [8], включающий в себя подвижную дозирующую головку, снабженную источником материала, подаваемого в головку в виде термопластичного филамента, который затвердевает при заданной температуре, и платформу, которые перемещаются относительно друг друга по осям X, Y и Z по заданной схеме для создания трехмерных объектов путем наращивания материала, плавящегося и выходящего из дозирующей головки, на платформу с контролируемой скоростью. Трехмерные объекты могут быть получены путем нанесения повторяющихся слоев затвердевающего материала филамента до тех пор, пока не будет сформировано изделие. В качестве материалов для печати предлагается использовать филаменты из самотвердеющих восков, термопластических смол, легкоплавких металлов, двухкомпонентных эпоксидных смол, термопластических полимеров, в том числе и вспенивающихся пластмасс, материал которых при затвердевании приплавляется к предыдущему слою с соответствующей связью. Основа каждого слоя определяется предыдущим слоем, а толщина каждого слоя определяется и строго контролируется высотой, на которую нижний срез дозирующей головки поднят над предыдущим слоем.
Анализ данного способа показывает, что его использование позволяет крайне оперативно получать большую номенклатуру изделий из различных по свойствам материалов с точностью 0,2…0,4 мм, которая обусловлена как точностью перемещения дозирующей головки и платформы, так и диаметром выходной дюзы дозирующей головки (который обычно находится в диапазоне 0,1…1 мм). Однако для осуществления способа для приемлемой надежности работы установки необходимо использовать серийно выпускаемый филамент, ассортимент материалов которого ограничен производителями оборудования и материалов для FDM-печати. Кроме того, все изделия, изготовленные таким способом только из термопластичного филамента, обладают низкими прочностными свойствами и невысокой температурой эксплуатации (до 100℃), использование же в методе в качестве материала филамента дисперсии с дисперсной средой в виде термопластического полимера и дисперсной фазой – крупными (размером более 5мкм) зернами порошка металла или керамики приводит к снижению точности печати при диаметре дюзы печатающей головки 0,8…1 мм либо надежности печати при снижении диаметра дюзы печатающей головки до 0,1…0,5 мм (из-за постоянного засорения дюзы).
Техническим результатом настоящего изобретения является послойное формообразование заготовок изделий из порошков с различными химическим и гранулометрическим составом методом приплавления нового слоя, материалом для которого служит струя расплавленной термопластичной дисперсии. Для достижения этого в обогреваемом бачке специализированной установки сначала создается двухфазная дисперсная система (в дальнейшем – шликер), в которой в качестве дисперсной фазы выступает порошкообразный материал, а в качестве дисперсной системы (технологической связки) выступает смесь парафинов, а затем, при помощи обогреваемого шнекового насоса установки и ее обогреваемой фильеры оригинальной конструкции, оснащенной ультразвуковым активатором, струя шликера используется для нанесения слоев формуемой заготовки детали. Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе формовки заготовок изделий из порошковых материалов, включающем смешение шликера и формирование изделия последовательным нанесением по заданной траектории друг на друга слоев шликера, пластифицированного термопластичным связующим, добиваются сплавления наносимого и нанесенного ранее слоев; новым является то, что в конструкции установки для 3D печати используют обогреваемую фильеру с активацией модельного состава продольными ультразвуковыми колебаниями, позволяющей избежать седиментации порошкообразного материала в выходной дюзе фильеры.
Заявленный способ осуществляют следующим образом.
Для осуществления заявленного способа принимаем, что изготавливаемое изделие спроектировано, создана его 3D модель с учетом усадки при спекании и на ее основе разработана программа, в которой 3D модель представлена в виде n частей, получаемых рассечением модели изделия горизонтальными плоскостями. Для выполнения данных действий используется стандартная система программирования, а программа 3D модели реализуется на стандартном оборудовании. Разработка данной программы и ее реализация на оборудовании не представляет сложностей для специалистов.
Далее осуществляют расчет количества сырья (порошкообразного материала и термопластичного связующего), необходимого для изготовления изделия или партии изделий. Данные расчеты также являются стандартными и не представляют сложностей для специалистов. После проведенного расчета потребного количества порошкообразного материала и связующего приготавливают дисперсию порошкообразного материала в расплавленной технологической связке.
Как правило, порошкообразный материал состоит из нескольких компонентов, количество и соотношение которых во многом определяют свойства получаемого из них изделия. Естественно, это не исключает ситуации, когда порошкообразный материал состоит из одного компонента. Исходным порошкообразным материалом для шликера, необходимого при получении заготовок изделий заявленным способом, может служить широкая гамма материалов как металлических, так и неметаллических, позволяющих осуществить спекание в результате отдельной, не входящей в рамки изобретения термообработки, после формовки заготовки в соответствии с заявленным способом и освобождения заготовки от связки. В качестве таковых можно предложить: мелкодисперсный порошок кремния, обеспечивающий получение из него нитрида кремния после термообработки, порошки корунда, кварца, оксида циркония, меди, титана, и др.
Весьма важным для достижения указанного технического результата является то, что для реализации способа использована термопластичная технологическая связка, которая обеспечивает после своего расплавления высокую седиментационную устойчивость неорганических порошков любого состава, позволяет быстро фиксировать сложные формы напечатанного слоя заготовки за счет своего затвердевания при комнатной температуре и обеспечивает возможность сплавления наносимого и нанесенного слоев заготовки изделий. В качестве основного компонента термопластичной технологической связки в методе применяется парафин, например, марки П-1, пчелиный воск, например, 1 сорта, олеиновая кислота, например, марки В. Минимальное количество технологической связки без увеличения динамической вязкости получаемого шликера должно составлять 12,5 вес.%. При этом компоненты связки добавляются в следующих пропорциях: парафин П1 – 70…94 вес.%, пчелиный воск 1 сорта – 29,8…5 вес.%, олеиновая кислота марки В – 0,2…1 вес.%. Не соблюдение такого соотношения ингредиентов технологической связки приводит к необходимости увеличения ее количества по отношению к массе порошка, что влечет за собой увеличение пористости печатаемых образцов. Повышенная пористость нежелательна, так как влечет за собой снижение механических свойств изготовляемых изделий.
Смешение порошкообразного материала с технологической связкой получают следующим образом. Порошкообразный материал предварительно подвергают размолу с добавлением олеиновой кислоты марки В – 0,2…1 вес.% (от массы всего шликера). Это позволяет равномерно распределить по объему порошка олеиновую кислоту, которая, являясь олеофильным поверхностно активным веществом не только повышает качество смешения порошкообразного материала с парафинами в последующем, но и значительно интенсифицирует процесс размола порошков за счет предотвращения агрегирования частиц, налипания частиц на мелющие тела и расклинивающего эффекта Ребиндера. Продолжительность размола, тип мельницы, режимы ее работы, материал и размеры мелющих тел подбирают в соответствии с материалом выбранного порошка. При этом в результате размола должен получиться порошок, максимальный размер частиц в котором не превышает 10 мкм. Полученный в результате размола порошок подмешивают небольшими (не превышающими 1% от массы шликера в минуту) частями в расплавленную в обогреваемом бачке установки технологическую связку. Процесс смешения сопровождается обязательным перемешиванием мешалки, например, пропеллерного типа. После внесения всего порошка в шликер, последний подвергается длительному (не менее 30 минут) перемешиванию, в том числе не менее 10 минут под вакуумом не ниже 1 мм рт. ст., что обеспечивает его гомогенизацию и дегазацию. Смешение шликера можно производить и в отдельном от установки специализированном смесителе, имеющем сходные устройство и характеристики.
В результате получают шликер, который при температуре 70…80°С имеет динамическую вязкость не ниже 50 мПа*с.
Формовку заготовок изделий осуществляют, как правило, в автоматическом цикле в соответствии с управляющей программой. Для осуществления 3D печати используется установка, подобная приведенной на Фиг. 1. В установке шликер из бачка поз. 1, оснащенного мешалкой для перемешивания шликера и подогреваемого электрическим нагревателем до температуры выше температуры плавления шликера, при помощи обогреваемого своим электрическим нагревателем шнекового насоса поз. 2, с приводом от электромотора поз. 3 подается в полость фильеры поз. 4, обогреваемой до температуры ниже температуры плавления шликера собственным электрическим нагревателем. Проходя фильеру, остывающий шликер попадает в дюзу поз. 5, где на него воздействует активатор поз. 6, который передает ультразвуковые колебания от магнитострикционного или пьезоэлектрического преобразователя поз. 7. Активация продольными ультразвуковыми колебаниями позволяет пропускать переохлажденную дисперсию порошка, склонную к седиментации, через калиброванное отверстие дюзы поз. 5 диаметром 0,4…0,6 мм. Отверстие дюзы обеспечивает постоянство диаметра и ламинарность струи выходящего шликера. Образовавшаяся струя шликера выходя из дюзы приплавляется к уже затвердевшему предыдущему (i-1) слою растимой детали поз. 8, размещенной на столике поз. 9. Столик для формообразования детали в i-том слое перемещается по заданной программе по координатам X и Y при помощи электромеханических приводов, устройство которых описано и общеизвестно.
Далее после полного формирования i-того слоя детали столик посредством электромеханического привода, устройство которого описано и общеизвестно, опускается по оси Z на шаг – расстояние, равное толщине следующего слоя изделия, и далее приведенные выше операции повторяются до полного послойного формирования изделия.
После окончания формообразования заготовки изделия ее подвергают термической обработке для освобождения от связки и спекания частиц порошка. Оборудование для такой обработки и ее режимы (температура нагрева, времена нагрева и выдержки, атмосфера в печи) могут быть самыми разными и зависят от материалов, используемых для изготовления изделия, и от размеров изделий.
Пример 1.
В сухой порошок технического кремния марки Кр-00 ГОСТ 2169-69 (размер частиц 50-100 мкм) вводили 0,6 вес.% олеиновой кислоты и производили измельчение в шаровой мельнице стальными шарами в течение 10 ч до размеров частиц 5-10 мкм. После этого порошок смешивали с термопластичной связкой, взятой в количестве 20 вес.%, и формовали заготовку изделия методом наплавления 50 слоев при помощи активированной ультразвуком струи порошкового материла, пластифицированной термопластичной связкой, в автоматической установке для осуществления 3D печати. Термическую обработку проводили следующим образом: термопластичную связку удаляли в засыпке из глинозема при температуре до 200°С в течение 30 ч, а затем в воздушной среде при температуре до 600°С в течение 90 ч. Реакционное спекание проводили в герметизированной печи при избыточном давлении азота 1,2 Ати и температуре 1170-1400°С в течение 15…30 ч.
Полученные изделия имели следующие свойства:
• плотность – 2,35 г/см3;
• предел прочности на изгиб при 20°С – 180 МПа;
• микротвердость – 8 ГПа;
• термостойкость по режиму нагрев до 1200°С – охлаждение в воде (количество циклов до появления первых визуально фиксируемых трещин длиной более 2 мм) – разрушается с первого раза;
• теплопроводность при 20°С – 8 Вт/(м·К);
• теплопроводность при 900°С – 10 Вт/(м·К);
• увеличение массы при окислении на воздухе при 1300°С за 50 ч – 0,5…1,5 вес.%;
• увеличение массы при окислении на воздухе при 1500°С за 50 ч – 5…10 мас.%.
Пример 2.
В сухой порошок титана марки ПТС-2 по ТУ 14-22-57-92 (с основной фракцией частиц 40 мкм) вводили 0,8 вес.% олеиновой кислоты и производили измельчение в дисковом измельчителе в среде аргона в течение 2 часов для достижения размеров частиц 5-10 мкм. После этого порошок смешивали с термопластичной связкой, взятой в количестве 20 вес.%, и формовали заготовку изделия методом наплавления 50 слоев при помощи активированной ультразвуком струи порошкового материла, пластифицированной термопластичной связкой, в автоматической установке для осуществления 3D печати. Термическую обработку проводили следующим образом: термопластичную связку удаляли в засыпке из глинозема при температуре до 200°С в течение 30 ч. Дальнейшее удаление связки и спекание проводили в герметичной печи. На первом этапе обработки плавно (100°С/час) подымали температуру заготовок до 600°С в токе азота (расход 1 л/мин), на втором этапе нагревали заготовки до 1250°С при постоянном давлении аргона (0,5 Ати) и выдерживали их при этой температуре и давлении аргона 2 часа, после чего давали остыть вместе с печью в аргоновой среде.
Полученные изделия имели следующие свойства:
• плотность – 4,3 г/см3;
• коэффициент линейного расширения α – 8.5 х 10–6 град–1;
• теплопроводность при 20°С – 14 Вт/(м·К);
• условный предел текучести (Ϭ0,2) – 250 МПа;
• пластичность – 10%;
• твердость (НВ) – 100.
Список использованных источников:
1. Патент США №5340656, МПК B22F 7/02, 1994 г.
2. Патент РФ №2535704, МПК В22F7/00, 2014 г.
3. https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/nemetskie-uchenye-issleduyut-3d-pechat-tverdymi-splavami.
4. https://www.3dwasp.com/en/wasp-launches-the-new-professional-clay-extruder/
5. https://3dceram.com/ru/#imprimantes
6. https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/rossiyskie-uchenye-issleduyut-3d-pechat-zharoprochnykh-detaley-iz-keramomatrichnykh-kompozitov
7. https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/ultrazvuk-pozvolyaet-povyshat-prochnost-3d-pechatnykh-metallicheskikh-izdeliy
8. Патент США №US5121329А, МПК B22F3/115, 1992.
Claims (2)
1. Способ изготовления изделия из порошкового материала методом 3D-печати, включающий приготовление термопластичной дисперсии, содержащей дисперсную фазу и термопластичную связку, формирование путем послойного нанесения по заданной траектории расплавленной при 70-80°С и предварительно активированной ультразвуком струи термопластичной дисперсии и последующего спекания для удаления связки и получения поликристаллического изделия, отличающийся тем, что используют термопластичную дисперсию, содержащую керамический или металлический порошок с максимальным размером частиц, не превышающим 10 мкм, в качестве дисперсной фазы и 12,5-20 мас. % термопластичной связки в виде смеси, содержащей, мас. %: парафин 70-94, пчелиный воск 5-29,8, олеиновую кислоту 0,2-1, при этом термопластичную дисперсию получают путем предварительного размола металлического или керамического порошка с добавлением олеиновой кислоты и последующего смешивания с парафином и пчелиным воском, а предварительную активацию струи осуществляют продольными ультразвуковыми колебаниями.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют термопластичную дисперсию, содержащую металлический или керамический порошок в количестве 80-87,5 мас. %.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2777114C1 true RU2777114C1 (ru) | 2022-08-01 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2807988C1 (ru) * | 2023-02-06 | 2023-11-21 | Публичное акционерное общество "Северсталь" (ПАО "Северсталь") | Способ получения гранулированного материала |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5121329A (en) * | 1989-10-30 | 1992-06-09 | Stratasys, Inc. | Apparatus and method for creating three-dimensional objects |
RU2145269C1 (ru) * | 1995-06-16 | 2000-02-10 | Самарский филиал Физического института им.П.Н.Лебедева РАН | Способ изготовления объемных изделий из порошковой композиции |
CN107199697A (zh) * | 2016-03-20 | 2017-09-26 | 罗天珍 | 涂色式fdm彩色3d打印机及其转移覆盖着色法 |
CN108311690A (zh) * | 2017-01-17 | 2018-07-24 | 湖南六新智能科技有限公司 | 一种3d打印材料及其3d打印的方法 |
US20190283131A1 (en) * | 2018-03-14 | 2019-09-19 | Seiko Epson Corporation | Method for manufacturing three-dimensional object |
RU2717768C1 (ru) * | 2019-10-15 | 2020-03-25 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Способ аддитивного формования изделий из порошковых материалов |
WO2020094246A2 (de) * | 2018-11-06 | 2020-05-14 | Hans Mathea | Verfahren zum herstellen eines dreidimensionalen formgegenstands mittels schichtweisem materialauftrag |
RU2754261C2 (ru) * | 2016-11-15 | 2021-08-31 | Хеганес Аб | Сырьё для способа аддитивного производства, использующий это сырьё способ аддитивного производства и получаемые из него изделия |
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5121329A (en) * | 1989-10-30 | 1992-06-09 | Stratasys, Inc. | Apparatus and method for creating three-dimensional objects |
RU2145269C1 (ru) * | 1995-06-16 | 2000-02-10 | Самарский филиал Физического института им.П.Н.Лебедева РАН | Способ изготовления объемных изделий из порошковой композиции |
CN107199697A (zh) * | 2016-03-20 | 2017-09-26 | 罗天珍 | 涂色式fdm彩色3d打印机及其转移覆盖着色法 |
RU2754261C2 (ru) * | 2016-11-15 | 2021-08-31 | Хеганес Аб | Сырьё для способа аддитивного производства, использующий это сырьё способ аддитивного производства и получаемые из него изделия |
CN108311690A (zh) * | 2017-01-17 | 2018-07-24 | 湖南六新智能科技有限公司 | 一种3d打印材料及其3d打印的方法 |
US20190283131A1 (en) * | 2018-03-14 | 2019-09-19 | Seiko Epson Corporation | Method for manufacturing three-dimensional object |
WO2020094246A2 (de) * | 2018-11-06 | 2020-05-14 | Hans Mathea | Verfahren zum herstellen eines dreidimensionalen formgegenstands mittels schichtweisem materialauftrag |
RU2717768C1 (ru) * | 2019-10-15 | 2020-03-25 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Способ аддитивного формования изделий из порошковых материалов |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2807988C1 (ru) * | 2023-02-06 | 2023-11-21 | Публичное акционерное общество "Северсталь" (ПАО "Северсталь") | Способ получения гранулированного материала |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Ghazanfari et al. | A novel freeform extrusion fabrication process for producing solid ceramic components with uniform layered radiation drying | |
Pelz et al. | Additive manufacturing of structural ceramics: a historical perspective | |
Rane et al. | A comprehensive review of extrusion-based additive manufacturing processes for rapid production of metallic and ceramic parts | |
RU2668107C1 (ru) | Способ изготовления изделий из порошковых керамических материалов | |
Utela et al. | A review of process development steps for new material systems in three dimensional printing (3DP) | |
Tay et al. | Solid freeform fabrication of ceramics | |
US10710157B2 (en) | Additive manufacturing material for powder rapid prototyping manufacturing | |
TWI659940B (zh) | 燒結造形方法及燒結造形物 | |
US5900207A (en) | Solid freeform fabrication methods | |
Rabinskiy et al. | Fabrication of porous silicon nitride ceramics using binder jetting technology | |
US6827988B2 (en) | Process and a device for producing ceramic molds | |
US6372178B1 (en) | Method for freeform fabrication of a three-dimensional object | |
US6251340B1 (en) | Adaptable filament deposition system and method for freeform fabrication of three-dimensional objects | |
CN110919001B (zh) | 成型材料共混送进式铝基复合材料3d打印装置及打印方法 | |
Ghazanfari et al. | A novel extrusion-based additive manufacturing process for ceramic parts | |
JP2020519486A (ja) | 特に金属および/またはセラミックに適用可能な成形方法および成形装置 | |
CN110899705B (zh) | 一种用于制备铝基复合材料的3d打印装置 | |
US20190240734A1 (en) | Geometry For Debinding 3D Printed Parts | |
WO2018195464A1 (en) | Adhesion to build plate in 3d printer | |
Zhang et al. | Processing parameters for selective laser sintering or melting of oxide ceramics | |
Saha et al. | Additive manufacturing of ceramics and cermets: present status and future perspectives | |
RU2777114C1 (ru) | Способ 3d-печати изделий активированной ультразвуком струей порошкового материала, пластифицированного термопластичной связкой | |
Wang et al. | Near‐net shape forming of advanced ceramics | |
Bala et al. | A review on binder jetting fabrication: Materials, characterizations and challenges | |
RU2689833C1 (ru) | Способ получения керамических изделий на основе порошков оксидов металлов |