Керамический 3D принтер Прокерамика-170

«Прокерамика-170» — промышленный 3D-принтер российского производства для изготовления высокоточных изделий из технической керамики методом лазерной стереолитографии (SLA). В принтере используется ультрафиолетовый лазер с длиной волны 355 нм, который послойно отверждает фотополимерную основу керамической пасты или суспензии. Такая технология позволяет создавать детали сложной геометрии, тонкие элементы и функциональные компоненты, производство которых традиционными методами может требовать дорогостоящей оснастки и многоэтапной обработки.

Принтер предназначен для промышленного производства, научно-исследовательских работ, изготовления опытных образцов и мелкосерийного выпуска керамических изделий. Локализованная конструкция, российское программное обеспечение и собственная линейка керамических материалов формируют комплексное решение для внедрения аддитивного производства технической керамики на российских предприятиях.

Технология печати

В основе работы «Прокерамика-170» лежит лазерная стереолитография — метод послойного формирования изделия из фотополимерной суспензии с высоким содержанием керамических частиц. В отличие от обычной полимерной SLA-печати, здесь полимерная составляющая служит связующей основой, а конечные свойства изделия формируются после удаления органических компонентов и спекания керамики.

Этапы технологического процесса:

1. Подготовка цифровой модели: cоздаётся или импортируется 3D-модель, проверяются её геометрия, ориентация на платформе, толщина стенок и наличие каналов. Учитывается будущая усадка материала.

2. Нанесение керамической пасты: система подачи и ракель равномерно распределяют пасту по рабочей платформе. Важную роль играют вязкость материала, стабильность слоя и равномерность распределения керамических частиц.

3. Послойное отверждение лазером: УФ-лазер с длиной волны 355 нм избирательно отверждает материал в соответствии с контуром очередного слоя. После формирования слоя платформа перемещается, наносится следующая порция пасты, и цикл повторяется до завершения изделия.

4. Очистка напечатанной детали: изделие извлекают из принтера и удаляют остатки неотверждённой пасты, в том числе из доступных отверстий и каналов. При необходимости выполняют дополнительную обработку, предусмотренную технологией конкретного материала.

5. Удаление связующего материала: заготовку подвергают контролируемому нагреву, чтобы удалить органическую составляющую. Скорость нагрева и температурный профиль подбирают с учётом состава материала и геометрии изделия, поскольку слишком быстрое удаление связующего может вызвать дефекты.

6. Спекание керамики: заготовку нагревают до температуры, необходимой для уплотнения выбранного материала. В результате формируется керамическое изделие с требуемыми механическими и физическими характеристиками. После спекания при необходимости выполняется шлифование и контроль размеров.

Особенности Прокерамика-170

Высокая точность и детализация. Лазерное пятно диаметром 45 мкм и послойное формирование позволяют воспроизводить мелкие элементы, сложные контуры и тонкостенные конструкции. Разрешение печати достигает 50 мкм; шероховатость готовой поверхности может составлять 3–4 мкм в зависимости от материала и режима обработки.

Изготовление изделий со сложными геометрическими формами. SLA-печать подходит для деталей с тонкими стенками, каналами, отверстиями, рельефом и другими особенностями. При этом возможность реализации конкретной геометрии зависит от толщины элементов, доступности внутренних полостей для очистки и условий последующего спекания.

Работа с технической керамикой. Для печати применяются специализированные пасты и суспензии на основе оксида алюминия и диоксида циркония, а также другие материалы, разработанные или исследуемые компанией. Это позволяет подбирать состав под требуемые механические, термические, химические и электрические свойства изделия.

Экономичность. Отсутствие необходимости изготавливать пресс-формы и сложную литейную оснастку упрощает выпуск единичных деталей и небольших партий. Цифровая модель позволяет вносить изменения в конструкцию между производственными циклами без переделки оснастки.

Российское производство и программное обеспечение. Принтер производится в России и использует отечественное ПО «Триангулятика OEM», включённое в реестр российского программного обеспечения Минцифры. Уровень локализации оборудования достигает 80%.

Материалы для печати

«Прокерамика-170» работает со специализированными керамическими пастами и суспензиями, содержащими фотополимерную основу и керамический наполнитель. Содержание керамики в используемых материалах может достигать примерно 50% по объёму и около 80% по массе. Высокая концентрация наполнителя позволяет получить после термообработки плотный керамический материал, но требует правильного подбора реологических свойств пасты и режимов печати.

Оксид алюминия (Al₂O₃)

Техническая керамика с высокой твёрдостью, износостойкостью, химической инертностью и хорошими диэлектрическими свойствами. Применяется для электрических изоляторов, корпусов и подложек электронных компонентов, втулок, уплотнений, фильтров и деталей, работающих в агрессивных средах. В презентации производителя приведены образцы материала с плотностью 3,79–3,87 г/см³ после спекания при 1700 °C и прочностью при изгибе 490 ± 35 МПа.

Выпускается в двух вариантах:

• Оксид алюминия (Al₂O₃), вакуумплотный: высокопрочная техническая керамика с высокой твёрдостью, износостойкостью, химической стойкостью и хорошими электроизоляционными свойствами. Применяется для производства втулок, уплотнений, изоляторов, корпусов электронных компонентов и деталей промышленного оборудования. Паста содержит 80–82% порошка по массе, адаптирована для SLA- и DLP-печати, а достижимая плотность после спекания составляет 97–99%.

• Оксид алюминия пористый: cпециальный состав для изготовления керамических оболочковых форм, литейных стержней и формообразующих элементов. Управляемая пористость облегчает удаление стержней после заливки металла и выщелачивание материала. Плотность таких изделий может составлять 70–80% от плотности материала, а шероховатость полностью спечённых стержней — Ra 1–10 мкм в зависимости от состава и режима обработки.

Диоксид циркония (ZrO₂, 3YSZ)

Материал на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Отличается высокой прочностью, твёрдостью и износостойкостью; используется для изготовления прецизионных компонентов, износостойких деталей и декоративных изделий. В предоставленной презентации указаны плотность 5,98–6,05 г/см³ после спекания при 1500 °C и прочность при изгибе 650 ± 40 МПа.

Плавленый кварц (SiO₂)

Материал для изготовления литейных стержней и форм сложной геометрии. Низкое тепловое расширение и устойчивость к термическому удару делают кварцевые составы перспективными для прецизионного литья, в частности при изготовлении лопаток газотурбинных двигателей.

Рабочая область и требования к геометрии изделий

Рабочая платформа диаметром 165 мм и высотой построения до 165 мм позволяет изготавливать единичные крупные детали и размещать на платформе несколько небольших изделий. При планировании задания необходимо учитывать не только номинальные размеры камеры, но и технологические ограничения, связанные с нанесением пасты, очисткой заготовки и последующим спеканием. Объем изготовления ограничен габаритами изделия 130x130x105 мм с учётом поправки на усадку. 

При проектировании деталей важно учитывать следующие особенности:

• Толщина стенок и перемычек. Минимально допустимые значения зависят от геометрии, материала и режима печати. Минимальная толщина перемычек порядка 0,35–0,4 мм, тогда как для массивных стенок требуется отдельная оценка риска растрескивания при термообработке.

• Внутренние каналы и полости. Остатки вязкой пасты необходимо удалять до обжига. Для глухих каналов могут потребоваться технологические отверстия, а полностью закрытые полости без возможности очистки не подходят для данной технологии.

• Усадка при спекании. Размеры готовой керамической детали уменьшаются по сравнению с напечатанной заготовкой. Компенсацию необходимо рассчитывать для конкретного материала и технологического режима.

• Термообработка. Толщина стенок, перепады сечения, ориентация детали и распределение материала влияют на риск деформаций и трещин.