Аддитивные технологии с каждым годом становятся все более востребованы в сфере аэрокосмонавтики. По данным отчета Research and Markets, объем рынка 3D печати в этой отрасли в 2021 году оценивался в $1.9 млрд. При этом его ожидаемые темпы роста в 2022-2027 годах составят почти 25% в год. Аддитивное производство помогает промышленности выпускать более прочные и легкие детали со сложной геометрической формой. Оно расширяет свободу проектирования, позволяет гибко объединять детали в составные конструкции, повышает эффективность ресурсов и сокращает объем отходов.
Рассматривая инновационные материалы для 3D печати, стоит уделить особое внимание керамике. Доказано, что она соответствует ряду высоких стандартов аэрокосмической индустрии. Одним из ключевых поставщиков аддитивных решений из керамики является австрийская компания Lithoz, разработавшая технологию 3D печати керамических изделий на основе литографии – LCM. В статье мы расскажем об особенностях ее метода, а также перспективах и преимуществах применения аддитивного производства из керамики в аэрокосмической отрасли.
Преимущества керамической 3D печати для аэрокосмонавтики
По оценкам экспертов, сегмент рынка керамической 3D печати в 2023 году вырастет до $400 миллионов. Наибольший интерес к ней проявляют аэрокосмическая, оборонная, химическая и стоматологическая отрасли. Керамика особенно востребована в аэрокосмонавтике благодаря таким свойствам, как высокая стойкость к нагреву, истиранию и окислению, а также размерная и механическая стабильность.
Это делает материал эффективным для применения в экстремальных условиях, в частности, при разработке космических аппаратов нового поколения. В этой сфере активно используют техническую керамику, которая обладает высокой прочностью, стойкостью к коррозии, тепловой и электрической изоляцией. Среди модернизированных керамических материалов присутствуют оксид алюминия (Al2O3), нитрид кремния (Si3N4), карбид кремния (SiC) и диоксид циркония (ZrO2).
С помощью 3D-печати можно обрабатывать даже сверхвысокотемпературную керамику (UHTC), свойства которой чрезвычайно востребованы в этой отрасли. Керамика успешно заменила традиционные для аэрокосмической промышленности металлы. Она устраняет ряд связанных с ними проблем, не так быстро изнашивается и позволяет создавать детали с более высокой детализацией.
Большой потенциал керамики показала технология LCM, при помощи которой компания Lithoz напечатала на 3D принтере аэродинамическое сопло из нитрида кремния. Оно успешно прошло все стресс-тесты, подтвердив способность выдерживать термические удары выше 1200 С.
Особенности технологии LCM
В основе технологии LCM находится принцип фотополимеризации. 3D принтер CeraFab дозирует керамическую жидкость (пульпу) в прозрачный чан. Печатный лоток перемещается сверху вниз и выборочно освещается синим светом из под бака. Процесс печати выполняется послойно при помощи цифрового микрозеркального устройства (DMD) и современной системы проекции. По завершению печати деталь подвергается термической постобработке для удаления связующего и спекания компонентов. Это обеспечивает высокую прочность, плотность и долговечность готовых керамических изделий.
Главное преимущество технологии LCM заключается в том, что деталь обрабатывается одновременно по всей площади ее поверхности с нулевым допуском по всей рабочей платформе. Это значит, что печать деталей осуществляется последовательно на всей поверхности печатного лотка. Вне зависимости от того, в какой части лотка они находятся. Высокая точность ее экспонирования позволяет создавать чрезвычайно сложные микроструктуры. Компания Lithoz предлагает 8 моделей 3D принтеров CeraFab с поддержкой технологии LCM. Каждая из них имеет свои особенности, например, CeraFab S25 обеспечивает высокое разрешение печати – до 25 мкм.
Как можно использовать 3D печать из керамики в аэрокосмической отрасли?
Сочетание свойств керамики с гибкостью аддитивных технологий открывает широкие возможности для применения этой интеграции в аэрокосмонавтике. Она позволяет точно воплотить необходимый дизайн детали, изменить его структуру или добавить дополнительные функции. В качестве примера здесь можно привести разработку радиочастотных фильтров для систем связи. Керамическая 3D-печать позволяет создавать высокотехнологичные резонаторы с широким диапазоном форм, порядков и полос пропускания. Эти детали легко объединяются в сложные составные конструкции.
Как известно, аэрокосмическая отрасль предъявляет весьма строгие требования к оборудованию. Поэтому предназначенные для нее радиочастотные фильтры должны быть исключительно надежными и высокопроизводительными. Комбинация свойств керамики и 3D печати на основе технологии LCM позволяют достичь такого результата. Также они дают возможность снизить вес этих деталей, что является еще одним важным преимуществом для аэрокосмонавтики. Наконец, керамические фильтры демонстрируют стойкость к высоким температурам и долговечность, стабильно работая в течение долгого времени.
Дополнительные возможности технологии
Решения от компании Lithoz имеют и дополнительные возможности, к которым относится способность контролировать микроструктуру и пористость материала. Стоит отметить, что такая опция недоступна для других существующих в наши дни технологий производства – как аддитивных, так и традиционных. Оборудование Lithoz также поддерживает 3D печать изделий из нескольких материалов, благодаря наличию двухкамерных принтеров в ее ассортименте.
Такая схема позволяет не только печатать разные слои изделия из разных материалов, но еще задействовать несколько материалов в одном и том же слое. Как пример можно привести детали из оксида алюминия с градиентом плотности и пористости, разработанные в ходе сотрудничества Lithoz и Fraunhofer IGD. Данное решение весьма перспективно при 3D печати сложных катализаторов для аэрокосмонавтики и прочих отраслей.
