HRL Laboratories разрабатывает новый метод 3D-печати переломов

Jul 03, 2023

Исследователи из HRL Laboratories, исследовательского центра, принадлежащего General Motors и Boeing, разработали новый метод 3D-печати деталей с использованием устойчивых к разрушению композитов с керамической матрицей (CMC).

Команда HRL разработала новую прекерамическую смолу на основе силоксана, армировала ее инертными частицами, а затем использовала процесс экстремального нагрева, называемый пиролизом, чтобы превратить ее в оксикарбид кремния (SiOC). Полученный стекловидный материал обладал повышенной прочностью и, по мнению исследовательской группы, его можно было бы использовать в новых энергочувствительных областях, таких как движение, производство энергии и химическая обработка.

«Задача, которую мы решили в этом проекте, заключалась в интеграции этого решения для повышения прочности с нашим процессом 3D-печати», — сказал Марк О'Маста, ведущий исследователь проекта HRL. «Теперь мы можем добавлять эти армирующие элементы в больших объемах, чтобы значительно повысить прочность наших керамических деталей, напечатанных на 3D-принтере».

«По сути, мы превратили хрупкий монолитный материал в прочный композит. В качестве дополнительного преимущества добавление армирования ослабило некоторые ограничения обработки».

Расширение возможностей применения 3D-печатной керамики

Керамические компоненты обычно обладают превосходной устойчивостью к коррозии и износу, а их уникальные свойства открывают им потенциальные возможности применения в областях с высокими температурами, но придание им формы оказалось проблематичным. Использование хрупкой керамики для изготовления сложных деталей с узкой геометрией также может привести к увеличению давления на их внутренние трещины и пустоты, что иногда приводит к катастрофическим сбоям.

«Все керамические детали, обработанные традиционным способом или напечатанные на 3D-принтере, имеют небольшие дефекты, такие как крошечные пустоты, которые возникают во время обработки, обращения и обслуживания», — объяснил О'Маста. «Проблема в том, что когда к этой области прикладывается напряжение, дефект может превратиться в неконтролируемую трещину, что приводит к катастрофическому выходу из строя всей детали».

Технологии 3D-печати керамики, возможно, все еще находятся в зачаточном состоянии, но уже начинают появляться широко используемые методы, позволяющие обойти эту проблему. Были предприняты попытки сочетания подходов прямого письма чернилами (DIW) и моделирования плавленым осаждением (FDM), но чаще всего для отверждения сырья, пропитанного полимером, используется фотополимеризация (SLA).

В каждом из этих существующих процессов напечатанная «сырая» деталь подвергается двухэтапной термообработке, в ходе которой удаляется полимер (удаление связующего), прежде чем керамические частицы спекаются. Теперь недавние исследования дали альтернативный подход, который включает в себя 3D-печать с использованием смол на основе силоксана, прежде чем превращать их в SiOC посредством пиролиза.

Эта новая технология изготовления керамики исключает длительные этапы удаления связующего и спекания, что потенциально делает ее более быстрой альтернативой традиционным процессам печати на керамике. Однако для того, чтобы этот новый температурный подход работал эффективно, необходимо разработать керамический материал, который учитывал бы низкую собственную ударную вязкость материала и предотвращал бы плохое слияние частиц.

Новый подход HRL Labs к 3D-печати керамики

Чтобы обойти присущую керамике хрупкость, команда HRL разработала новый процесс, который потребовал разработки КМЦ, армированного керамическим волокном. Исследователи разработали свою новую смолу, используя смесь фотоинициаторов и материала оксикарбида кремния (SiOC), который содержал диспергированные инертные керамические частицы.

Используя промышленный принтер Prodways ProMaker L5000, исследователи затем изготовили серию образцов размером 1,25 (t) × 2,5 (h) × 15 (l) мм3 с целью оценки и оптимизации их формулы. После ряда испытаний команда выявила высокий уровень дисперсии частиц, а также любопытное поведение прочности на растяжение армированных деталей.

Как оказалось, более толстые образцы были более склонны к растрескиванию, чем их более тонкие аналоги, и благодаря этому открытию команда HRL определила «золотую середину» в уровне армирования, которого они могли достичь. Добавление слишком большого количества армирующего элемента превысит его «предел упаковки» и ослабит деталь, хотя включение недостаточного количества может сделать керамику уязвимой для разрушения.