Technologia LCM - przetwarzanie ceramiki technicznej poprzez druk 3D

Proces rozwoju materiałów stanowi dla wszystkich technologii druku 3D kluczowe zagadnienie oraz największe ograniczenie aplikacyjne. W ciągu ostatnich lat firmy, które zajmowały się doskonaleniem szybkiego prototypowania stawiały przede wszystkim nacisk na rozwój tworzyw sztucznych. Główną tego przyczyną było zapotrzebowanie na prototypy elementów do masowej produkcji przy pomocy form wtryskowych, stanowiących bardzo kosztowne narzędzie produkcyjne. Każdy najmniejszy błąd występujący w formie oraz błędy wymiarowania generują duże koszty związane z koniecznością przeprojektowania formy. 

Wytwarzanie prototypów elementów metalowych od początku przysparzało wiele problemów technicznych, spowodowanych przez wymagania odnoszące się do dokładnego wykonania detali, zazwyczaj o rząd wielkości lepszych niż elementy z tworzyw sztucznych. Kolejnym aspektem, trudnym do realizacji jest uzyskanie właściwej wytrzymałości mechanicznej. 

Największe jednak wyzwanie dla twórców technologii druku 3D są elementy wykonywane z materiałów ceramicznych. Materiał ten zawiera szereg unikalnych właściwości, które nie są spotykane w innych grupach materiałowych, takie jak wysoka odporność chemiczna, wytrzymałość na skrajne temperatury oraz sztywność i twardość. Wykonywanie technicznych elementów z ceramiki jest niezwykle trudne, z powodu dużych skurczów termicznych ceramiki w czasie spiekania lub wypalania, a także z powodu trudności przy formowaniu kształtów i zachowaniu właściwej dokładności wymiarowej. 

Próby przetwarzania materiału ceramicznego na maszynach do laserowego przetapiania proszków metali kończyły się niepowodzeniem, ponieważ materiał ulegał pękaniu, co spowodowane było sporymi gradientami temperaturowymi w tym procesie. Z kolei metody spajania proszków ceramicznych za pomocą nadrukowywanego lepiszcza w technologii 3DP/CJP, były za mało dokładne oraz powodowały podczas wypalania znaczne porowatości w strukturze materiału. Natomiast metody ekstruzyjne warstwowego budowania elementów ceramicznych były zbyt niedokładne, co nie pozwalało na budowanie cienkich ścian.

Do niedawna nie powstała żadna technologia wydruku 3D, która umożliwiałaby tworzenie technicznie pełnowartościowych detali z ceramicznych materiałów, jak tlenek cyrkonu (ZrO2) lub tlenek aluminium (Al203), z których to materiałów wytwarzane są obecnie precyzyjne komponenty dla przemysłu elektrotechnicznego, maszynowego oraz chemicznego. 

Technologia LCM (Lithography-based Ceramic Manufacturing), opatentowana przez austriacką firmę Lithoz GmbH umożliwiła dopiero szybkie wytwarzanie skomplikowanych technicznych oraz medycznych materiałów ceramicznych. Metoda ta przypomina proces stereolitografii na bazie chipów DLP z wykorzystaniem światła niebieskiego. Przewagę dla tej metody tworzą takie elementy, jak innowacyjny sposób homogenizacji żywicy i utwardzania warstw, precyzyjna kompozycja fotopolimeru z nanoproszkami ceramicznymi oraz proces wypalania i synteryzacji. Proces w technologii LCM eliminuje pękanie materiału, dzięki stopniowemu łagodnemu utlenianiu macierzy zlepiającej cząstki ceramiki, a następnie spieczeniu detalu w wysokiej temperaturze. Można w ten sposób uzyskać wytrzymałe detale prototypowe o wysokiej gęstości oraz krótkie serie produkcyjne. Struktury podporowe w technologii LCM tworzone są z materiału rodzimego i wymagają odcięcia przed wypaleniem.

Drukarka 3D firmy Lithos – CeraFab 7500 do budowy elementów ceramicznych z tlenku cyrkonu i tlenku aluminium. Maszyna zawiera opatentowany system rozprowadzania żywicy z nanocząstkami ceramiki, by utrzymać jej stałą homogeniczność.

W technologii LCM istnieje szereg zasad projektowania, które znane są inżynierom korzystającym na z techniki wtrysku ceramiki do form, lecz ze względu na warstwowy charakter technologii LCM można pominąć ograniczenia wynikające z konstrukcji formy. Umożliwia to uzyskanie wielu nowych możliwości, zarówno jeżeli chodzi o kształt, jak i możliwość formowania nowych materiałów, w tym także hybrydowych.

Firma Lithoz oferuje 2 gatunki ceramiki technicznej, która jest oparta na tlenku cyrkonu i tlenku glinu oraz 1 materiał biozgodny, bazujący na fosforanie wapnia. Lithoz otwarty jest także na wszelkiego rodzaju nowe pomysły wykorzystania technologii LCM pod kątem nowych materiałów oraz aplikacji. Swoboda projektowania elementów ceramicznych za pomocą technologii LCM, pozwala wytworzyć elementy, do tej pory niemożliwe do wykonania klasycznymi metodami.

 

Zdjęcia i rysunek przedstawiają miniaturową pompę sztucznego serca, napędzaną helem. Wykonana jest ona ze skomplikowanych elementów ceramicznych, wybudowanych w technologii LCM.

Projekt ten wykonany został przez Wiedeński Uniwersytet Technologiczny przy wsparciu Wiedeńskiego Uniwersytetu Medycznego oraz firmy Lithoz. Niektóre ścianki wirnika napędowego posiadają grubości nawet 0,4 mm.

loading...