Керамическая 3D-печать

Керамическая 3D-печать может применяться как для решения высокотехнологичных задач, так и для изготовления гончарных и декоративных изделий. Более подробно об этом читайте далее!

Керамическая 3D-печать имеет огромное количество применений благодаря ряду уникальных свойств керамических материалов. В частности, они твердые, чаще всего гладкие и термостойкие. 3D-печать из керамики применяется в промышленности, например для изготовления медицинских деталей или высокотемпературных авиационных компонентов, а также в декоративных целях, например в гончарном и художественном искусстве.

Из-за особенностей материала для 3D-печати обычно используется специализированный 3D-принтер, а отпечатки должны пройти специфический для керамики процесс постпечатной обработки. На изготовление конечного керамического изделия обычно уходит гораздо больше времени, чем на печать обычного пластика, но в итоге получается керамическая деталь, обладающая теми же свойствами, что и горшок ручной работы.

В этой статье мы расскажем о том, как керамическая 3D-печать применяется в гончарном деле, об используемых технологиях и примерах оборудования, чтобы вы могли начать свою собственную печать керамики.

Материалы

Уникальность керамической 3D-печати заключается, конечно же в материале. В художественных кругах термины «керамика» и «глина» часто используются как взаимозаменяемые для обозначения различных материалов, используемых для изготовления керамики. Глина действительно является одним из видов керамики, но не вся керамика изготавливается из глины. На самом деле керамика включает в себя широкий спектр материалов, которые затвердевают при нагревании при высоких температурах, что называется обжигом.

Ниже перечислены наиболее распространенные материалы используемые для 3D-печати керамики:

• Терракота — хорошо известная керамика, которая часто используется в горшках для растений, поскольку она пористая и легкодоступная. Свой красноватый оттенок она приобретает благодаря оксиду железа, образующемуся при обжиге в печи. Терракота может быть экструдирована в системах FDM и является более прочной, чем большинство керамических изделий на основе глины.
• Фарфор представляет собой смесь кремния и глины. Он бывает трех видов: твердый пастообразный, мягкий пастообразный и костяной фарфор. Твердый фарфор — это сорт, используемый в тонком фарфоре, и изготавливается в основном из каолиновой глины, смешанной с кварцем и полевым шпатом. Мягкий фарфор имеет аналогичный состав, но обжигается при более низкой температуре, поэтому конечный продукт получается не таким твердым, как твердый фарфор. В настоящее время костяной фарфор изготавливается из костной золы, каолина и полевого шпата. Фарфор можно экструдировать с помощью FDM. В виде керамического фоторезиста он может быть напечатан на совместимых 3D-принтерах со смолой, а в виде порошка — скреплен с помощью струйного нанесения связующего.
• Фаянс — самый древний из известных материалов, используемых в гончарном производстве. Перед обжигом его часто покрывают шликером — очень жидкой смесью глины и воды, чтобы улучшить текстуру поверхности и сделать ее водонепроницаемой. Глиняная посуда обжигается, но не стекленеет (становится похожей на стекло) в процессе обжига, поэтому имеет более грубую поверхность, чем фарфор. Глиняная посуда может быть экструдирована. Wasp, одна из самых известных компаний, производящих керамические 3D-принтеры, продает красный сорт этой глины.
• Керамогранит — это непористая керамика, обжигаемая при высоких температурах. Несмотря на свою водонепроницаемость, он часто покрывается глазурью в эстетических целях. В 3D-печати керамогранит чаще всего используется методом экструзии.

Керамические филаменты

Помимо керамических материалов, которые можно непосредственно экструдировать в специальных 3D-принтерах, существуют керамические филаменты, которые можно печатать на обычных FDM 3D-принтерах. Такие филаменты обычно представляют собой композиты из связующего на основе полимера и керамического материала. Как и другие филаменты, они наматываются на катушки, но зачастую они гораздо более хрупкие, пока не пройдут стадию окончательного нагрева.

В процессе обжига полимер сгорает, оставляя после себя только керамический материал. Однако некоторые филаменты требуют отдельного процесса дебридинга для отделения полимера от керамического материала.

Существует несколько компаний, производящих керамические филаменты, в том числе Spectrum, LayCeramic и Zetamix. Эти филаменты, как правило, намного дороже стандартных керамических материалов, таких как фаянс.

Печать глиной

Сегодня существует множество способов 3D-печати глиной и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее экономически эффективным способом печати керамики является экструзия, но при этом она обеспечивает наименьшую детализацию. Печать смолой и струйная печать связующим обеспечивают более высокий уровень детализации, но за это приходится платить.

Экструзионная печать

Системы, основанные на экструзии глины, являются наиболее распространенным способом изготовления керамических деталей для гончарного производства. Одной из наиболее популярных систем для экструзии глины является серия дельта-принтеров Wasp. В этих системах для выталкивания глины из экструзионного сопла иногда используется пневматика, но чаще всего применяется шнек с приводом от электродвигателя.

Глина обычно представляет собой увлажненную смесь, облегчающую процесс экструзии. Из-за свойств глины втягивание может быть затруднено. Поэтому с помощью экструзии часто печатают спиральные вазообразные структуры.

Благодаря керамическим филаментам для печати керамики можно использовать и обычные FDM-принтеры. Однако отпечатки значительно уменьшаются в размерах из-за процесса дебридинга. Например, филамент LayCeramic после полного выгорания полимера уменьшается в размерах на четверть. Необходимо тщательно продумать геометрию керамики, чтобы она оставалась цельной на этом этапе усадки, а толщина стенок должна быть относительно большой — Zetamix рекомендует 2 мм для своих циркониевых филаментов.

При работе с этими композитами обычно предпочтительнее использовать сопла большего диаметра, и лучшие результаты могут быть получены при использовании сопла диаметром 0,6 мм, а не стандартного 0,4 мм. Сопло должно быть изготовлено из закаленной стали или выдерживать воздействие абразивных материалов.

Некоторые производители керамических нитей рекомендуют печатать на стекле, а для удаления отпечатка использовать ультразвуковую ванну. Однако это может быть сопряжено с некоторыми трудностями, учитывая ограничения по размеру резервуара и цену ванн большего объема.

Другие методы

Керамика также может быть получена с помощью совместимых фотополимерных 3D-принтеров и систем струйной подачи связующего. Однако эти машины, как правило, используются скорее для изготовления технической керамики. Тем не менее, с помощью фотополимерных систем можно изготавливать небольшие, высокодетализированные декоративные керамические детали. В этом случае для первоначального процесса печати используется смесь керамики и полимера. В качестве примера можно привести керамическую смолу Formlabs и Porcelite компании Tethon3D.

Вес керамической смолы может представлять определенные трудности. Она значительно тяжелее большинства пластмасс, поэтому может возникнуть проблема с прилипанием деталей на печатной пластине.

Существуют системы струйного нанесения связующего в которых для изготовления деталей высокой детализации используется система порошкового слоя. Порошкообразная керамика послойно скрепляется с помощью запатентованного связующего вещества, что позволяет сохранить форму напечатанной детали, так называемое «зеленое состояние», до момента ее глазурования и обжига. Керамика, наносимая методом струйной печати, является достаточно специализированной и требует специальных машин, поэтому не каждый принтер может ее производить.

Хотя керамика может быть изготовлена с помощью этих методов 3D-печати, требуемые для этого машины чрезвычайно дороги — часто их стоимость начинается с шестизначной цифры. Поэтому эти методы недоступны для рядового потребителя.

Постобработка

Поскольку наиболее распространенным способом 3D-печати керамики является экструзия, стоит рассмотреть этапы, выполняемые после печати детали. В экструзионных системах, непосредственно печатающих керамические материалы, отпечаткам сначала дают высохнуть в течение одной-двух недель в зависимости от используемого материала и размера детали. Перед обжигом они должны полностью высохнуть.

Затем сухие отпечатки обжигаются в печи, что называется обжигом в баске. Затем на отпечатки наносится глазурь, после чего они обжигаются в глазури. Печи стоят дорого, поэтому многие предпочитают отдавать процесс обжига на аутсорсинг. Поскольку процесс обжига, как правило, не отличается от обжига любой традиционной керамики, специализированные печи и глазури обычно не требуются.

Для керамических филаментов, напечатанных на обычных FDM-принтерах, процесс последующей обработки несколько сложнее. Перед обжигом отпечатка для некоторых филаментов требуется процесс дебридинга. Например циркониевый филамент требует двухэтапного процесса после печати детали. Сначала деталь помещается в химическую ванну с ацетоном для растворения связующего, а затем обжигается в тигле с порошковым наполнителем для термического удаления остатков связующего. Вся последующая обработка занимает более двух дней.

Прежде чем приступить к работе с керамическими композитными филаментами, стоит внимательно ознакомиться с инструкциями производителя, так как их применение может сильно отличаться в зависимости от конкретного материала.

Безопасность для пищевых продуктов

Для изготовления изделий, безопасных для пищевых продуктов, необходимо использовать безопасную для пищевых продуктов глазурь. Важным аспектом безопасности печати для пищевых продуктов является ее гладкость. Некоторые FDM-материалы безопасны для пищевых продуктов с точки зрения переноса частиц при контакте с ними, но после печати мелкие бороздки и углубления на отпечатке делают его небезопасным для длительного контакта с пищей. Кроме того, существует вероятность загрязнения в процессе печати.

Глазурь на отпечатке обожженной керамики обеспечивает гладкость, необходимую для безопасности пищевых продуктов, но это не гарантия. Поэтому убедитесь в том, что отпечаток полностью покрыт глазурью и не имеет трещин или канавок, в которых могли бы спрятаться бактерии.

Варианты 3D-принтеров

Как уже упоминалось выше, 3D-принтеры могут экструдировать любые материалы — от каолина и фарфоровой глины до керамогранита и терракоты. Ниже представлены несколько вариантов:

• Eazao Zero: это относительно доступный 3D-принтер, готовый к печати прямо из коробки. Eazao Zero стоит ~120000 руб. и может экструдировать большинство видов глины, не требует воздушного компрессора, поэтому идеально подходит для настольного использования. Он имеет объем печати 150 x 150 x 240 мм и может создавать слои толщиной от 0,4 мм до 1 мм. Он может работать с соплами от 0,6 мм до 1,5 мм. В целом, это очень экономичный способ начать самостоятельно изготавливать керамические изделия. Если вы хотите заниматься гончарным производством целиком, то можете приобрести электрическую печь по цене 80000 руб.
• Moore 1 Mini: Этот известный китайский глиняный принтер от компании Tronxy стоит около 40000 руб. имеет объем печати 180 x 180 x 180 мм. Moore 1 Mini может работать с различными керамическими смесями, такими как фарфор и фаянс.