Ученые из Сколковского института науки и технологий разработали новый подход к моделированию деталей для 3D-печати из керамики на основе оксида алюминия. Он позволяет предсказывать деформации материала при спекании и может упростить печать деталей сложных форм для биомедицины, аэрокосмической отрасли и энергетики. Результаты первого применения новой методики опубликованы в Ceramics International.

Из современных видов керамики можно делать не только посуду. Благодаря прочности, химической и температурной устойчивости эти материалы востребованы в разных сферах от машиностроения до медицины. Технологии 3D-печати позволяют получать из них детали самых сложных форм, например протезы костей и зубов.

Одна из таких технологий — лазерная стереолитография. Каркас будущего изделия формируется послойно из смеси нужного материала, например порошка оксида алюминия, и чувствительных к ультрафиолетовому излучению органических веществ. Под действием УФ-лазера отдельные молекулы распадаются на радикалы, которые образуют активные центры роста будущей макромолекулы. Происходит цепная полимеризация: к растущей цепи большой молекулы присоединяются все новые и новые мономеры. При этом лазер направляют по заданным в компьютерной модели линиям, и будущее изделие затвердевает в нужной форме.

Затем органический полимер разрушают при обжиге. Получается объемная пористая деталь, состоящая уже только из керамики. На финальном шаге ее спекают, при этом материал уплотняется, и деталь становится на 10–35% меньше по каждому из измерений. В этом и таится серьезная проблема: из-за усадки нередко искажается геометрия детали.

Искажения можно избежать, добавив в компьютерную модель коэффициенты усадки для разных измерений. При небольших объемах 3D-печати рассчитать усадку можно методом проб и ошибок, но в промышленных условиях требуется более обоснованный подход.

Математики и материаловеды из Центра проектирования, производственных технологий и материалов Сколтеха предположили, что для алюмооксидной керамики расчеты можно основывать на модели вязкого спекания SOVS (Skorohod — Olevsky Viscous Sintering). Она разработана отечественными учеными Валерием Скороходом и Евгением Олевским. Входные параметры этой модели можно определить, проанализировав спекание опытных образцов.

Ученые Сколтеха провели серию технологических экспериментов, чтобы построить модель и проверить ее точность. Для печати выбрали сравнительно простые детали: цилиндры высотой 5 мм и диаметром 10 мм. На одной из круглых сторон каждого цилиндра поместили несколько расходящихся от центра линий, чтобы сравнивать опытные образцы еще и по точности этого узора. Изделия печатали из стандартной керамической пасты с 84% порошка оксида алюминия в составе. Обжиг и спекание выполнялись при температурах 500 °C и 1200 °C соответственно. При этом часть образцов при спекании нагревали до 1700 °C, чтобы получить больше данных для проверки модели. На каждом этапе изготовления детали изучали при помощи 3D-сканера в разрешении 10 нанометров и взвешивали.

Затем исследователи смоделировали поведение алюмооксидной керамики при воздействии высоких температур по методу Скорохода — Олевского. Для этого потребовалось рассчитать плотность и пористость образцов на разных фазах, средний радиус частицы керамического порошка и другие показатели. На основе этих данных ученые определили константы вязкости для модели. Чтобы не перебирать при этом все возможные значения, использовали отечественный программный продукт pSeven. С его помощью оптимальное сочетание параметров нашлось меньше чем за 200 попыток — за несколько часов работы.

Оказалось, что для высоких температур спекания — 1600–1700 °C — модель SOVS прогнозирует усадку очень точно. По двум из трех измерений экспериментальные результаты для этих температур совпали с модельными. Именно такие режимы спекания применяются на практике.

«Модель SOVS показала высокий потенциал для расчета усадки алюмооксидной керамики, — отметил автор исследования, ведущий научный сотрудник Сколтеха Александр Сафонов. — Методика может применяться для моделирования 3D-печати изделий не только из различных керамических, но и металлических порошков. Мы продолжаем работу и в данный момент исследуем возможное растрескивание напечатанных керамических изделий во время отжига полимера».