МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

MATERIALS FOR ADDITIVE TECHNOLOGIES

Alexander Kuznetsov

Student, Department of Mechanical Engineering, Kostanay Regional University named after A. Baitursynov,

RK, Kostanay

Maxim Andrianov

Student, Department of Mechanical Engineering, Kostanay Regional University named after A. Baitursynov,

RK, Kostanay

Svetlana Yepifanova

Scientific supervisor, senior lecturer of the Department of Mechanical Engineering, Kostanay Regional University named after A. Baitursynov,

RK, Kostanay

АННОТАЦИЯ

В статье приведены основные сведения о современных аддитивных технологиях, а также технологиях порошковой металлургии. Описаны возможности и перспективы развития порошковых материалов для аддитивных технологий в различных отраслях промышленности.

ABSTRACT

The article provides basic information about modern additive technologies, as well as powder metallurgy technology. The possibilities and prospects for the development of powder materials for additive technologies in various industries are described.

Ключевые слова: аддитивные технологии, порошки, машиностроение, 3D-печать

Keywords: additive technologies, powders, mechanical engineering, 3D printing

Аддитивные технологии, известные также как 3D-печать, открывают широкие возможности для создания сложных многофункциональных изделий с высокой степенью свободы конструирования.

Аддитивное производство является способом создания любых трехмерных объектов с простой и сложной геометрией на основе цифровой модели. Технологии 3D-печати отлично себя зарекомендовали и прочно укоренились в различных отраслях и сферах жизни общества. Возможности, которые предоставляет данная технология, можно считать практически безграничными. [1]

Однако успех внедрения аддитивных технологий в промышленное производство во многом зависит от наличия материалов, пригодных для 3D-печати и обладающих комплексом физико-механических свойств, необходимых для конкретных областей применения.

Различные аддитивные технологии основаны на разных принципах и используют разные материалы:

1. Fused Deposition Modeling (FDM): FDM-печать основана на экструзии термопластичных материалов через нагреваемую головку, которая перемещается по определенной траектории. Слои материала сращиваются в процессе охлаждения и формирования объекта. FDM является одним из наиболее распространенных методов 3D-печати. [2]

2. Stereolithography (SLA): SLA-технология использует фотополимеризацию для твердения жидкого смолы с использованием ультрафиолетового (UV) лазера. Лазер сканирует поверхность смолы и полимеризует ее, чтобы создать слой объекта.

3. Selective Laser Sintering (SLS): SLS применяет лазер для синтеринга порошкообразных материалов, таких как полимеры, металлы или керамика. Лазер сканирует поверхность порошка, в следствие чего частицы сливаются вместе, формируя слой объекта.[3]

4. PolyJet: PolyJet-технология основана на использовании жидких фотополимерных смол, которые выделяются на платформу печати и затем полимеризуются с помощью UV-лампы. Этот метод позволяет создавать объекты с высоким разрешением и сложными геометриями.

5. Binder Jetting: Binder Jetting-технология заключается в том, что печатающая головка выделяет связующее вещество на порошковый материал, скрепляя частицы вместе. Затем объект закаляется в печи или пропитывается инфильтрантом для увеличения прочности.

На сегодняшний день наиболее широко используемыми материалами для 3D-печати являются термопластики, такие как акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), полилактид (PLA), полиамид (PA), поливиниловый спирт (PVA) и поликарбонат (PC). Однако их характеристики зачастую ограничивают область применения. В связи с этим активно ведутся разработки новых материалов с улучшенными механическими свойствами, стабильностью размеров, совместимостью с живыми тканями и т.д.

Одним из перспективных направлений являются композитные материалы на основе термопластов с наполнителями, такими как стеклянные или углеродные волокна. Введение волокон позволяет повысить прочность, жесткость и стабильность размеров деталей. Разрабатываются композитные филаменты для 3D-печати с использованием стекловолокна, углеродного волокна, базальтового волокна и др. Также перспективным направлением являются металлические материалы, позволяющие изготавливать функциональные металлические детали. Наиболее развитыми технологиями 3D-печати металлов являются селективное лазерное спекание (Selective Laser Melting, SLM) и микродуговая плавка (Electron Beam Melting, EBM). Однако высокая стоимость 3D-принтеров и исходного сырья сдерживает их широкое распространение.

Наиболее распространенным параметром порошков является их фракционный состав, т.е. распределение частиц по размерам. Фракционный состав порошка определяет размер частиц и их распределение. Это влияет на плотность порошка, способность к равномерному распределению и текучесть в процессе аддитивного производства. Более тонкий порошок обеспечивает лучшую степень плавления, что приводит к улучшению механических свойств и поверхностной шероховатости.

Морфология частиц также играет важную роль. Частицы с более правильной формой (например, сферической) обеспечивают лучшую текучесть порошка и меньше требуют энергии для плавления. Это улучшает качество и точность деталей. Тем не менее, несферические частицы могут использоваться для создания более сложных структур с уникальными свойствами.

Плотность порошка напрямую соотносится с плотностью итогового изделия. Высокая плотность порошка приводит к более плотным деталям с лучшими механическими свойствами, но может также увеличить время производства и стоимость материалов.

Перспективные направления в области разработки новых порошковых материалов для аддитивных технологий:

1. Создание новых сплавов и композитных материалов: Разработка новых сплавов и композитных материалов с улучшенными механическими, физическими и химическими свойствами может расширить возможности аддитивных технологий. Например, разработка легких и прочных металлических сплавов для авиакосмической промышленности.

2. Наночастицы и нанокомпозиты: Использование наночастиц и нанокомпозитов может привести к созданию материалов с уникальными свойствами, такими как высокая прочность, электрическая или тепловая проводимость. Наноматериалы также могут улучшить поверхностные свойства и точность деталей.

3. Функциональные материалы: Разработка порошковых материалов с функциональными свойствами, такими как самовосстановление, светоиндуцированные свойства или градиентные свойства, может расширить область применения аддитивных технологий.

4. Биосовместимые и биоразлагаемые материалы: Разработка порошковых материалов, которые могут использоваться для создания медицинских имплантов, протезов и других биосовместимых изделий, является важным направлением исследований. Это также может включать разработку биоразлагаемых материалов, которые могут быть использованы для временных имплантов или экологически устойчивых продуктов.

5. Улучшение процессов синтеза порошков: Разработка новых методов синтеза порошков, обеспечивающих более высокую степень чистоты, равномерность размера частиц и контроль над морфологией, может улучшить качество и свойства порошковых материалов и повысить эффективность аддитивных процессов.

6. Многофункциональные и гибридные материалы: Создание порошковых материалов, которые сочетают в себе различные свойства и функции, может привести к созданию инновационных продуктов. Например, материалы, которые одновременно обладают высокой прочностью, теплоотводом и электропроводностью.

7. Исследования влияния процессов аддитивного производства на свойства порошков: Проведение исследований влияния различных параметров аддитивных технологий, таких как скорость плавления, мощность лазера и толщина слоя, на свойства порошков и получаемых изделий может помочь оптимизировать процессы и улучшить качество продукции.

8. Разработка порошков для специализированных аддитивных технологий: Создание порошковых материалов, специально разработанных для определенных методов аддитивного производства, таких как выборочное лазерное спекание (SLS), стереолитография (SLA) или наплавление металлом (DMLS), может улучшить эффективность процессов и качество изделий.

Таким образом, развитие аддитивных технологий неразрывно связано с созданием новых материалов с комплексом свойств, обеспечивающих изготовление функциональных деталей для различных областей применения. Активно разрабатываются композиционные материалы с полимерной и металлической матрицей, биосовместимые полимеры, керамические и металлические порошки для 3D-печати, фотополимерные смолы для стереолитографии и другие материалы, расширяющие возможности аддитивных технологий. Разнообразие материалов для 3D-печати будет и далее расширяться, обеспечивая переход этих технологий на качественно новый уровень и применение в новых областях.

Список литературы:

1. Неустроев Д.В., Овчинников И.Г. Аддитивные технологии и их применение в промышленном и транспортном строительстве // Вестник Евразийской науки, 2021 No2, https://esj.today/PDF/26SAVN221.pdf (доступ свободный).
2. FDM технология. Как это работает [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://3dtool.ru/stati/fdm-tekhnologiya-kak-eto-rabotaet. – Дата обращения: 03.05.2023.
3. Introduction to SLS 3D printing [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.3dhubs.com/knowledge-base/introduction-sls-3d-printing/. – Дата обращения: 03.05.2023.