Приложения AM стремительно развиваются благодаря печати на нескольких материалах

Аддитивное производство (АП) создает множество возможностей в различных отраслях благодаря постоянному совершенствованию машин, методов и материалов. И, как и в случае с конструкциями из нескольких материалов, созданными с помощью традиционных производственных процессов, небольшая, но растущая область 3D-печати из нескольких материалов раскрывает еще больше возможностей AM.

Системы из нескольких материалов позволяют использовать такие вариации, как конструкции с функциональным градиентом, композиты, новые сплавы и новые способы изготовления электрических и электронных компонентов. Этот метод используется для создания таких разнообразных устройств, как суставные имплантаты, роботизированные захваты на концах рук и печатные платы.

Это также может выявить учёных в практиках. «Что, если при 3D-печати из нескольких материалов я выборочно положу немного материала А сюда, а немного материала Б туда?» — заявил Грег Полсен, директор по разработке приложений на рынке цифрового производства Xometry Inc., Норт-Бетезда, штат Мэриленд.

«Вы можете создать то, что мы называем цифровыми материалами: вы добавляете в жесткий материал немного резиноподобного материала, чтобы сделать этот материал более мягким и податливым», — сказал Полсен. «Или вы можете пойти наоборот, взять действительно мягкую резину и сделать ее немного жестче, добавив немного жесткого материала. И внезапно, за один отпечаток или прогон, вы можете создать объект, который может иметь либо смоделированную форму, либо иметь разные свойства, встроенные в один и тот же отпечаток».

Однако есть предостережение. По словам Полсена, из-за своей новизны большинство применений мультиматериалов на сегодняшний день были отнесены к исследовательской и академической сфере, охарактеризовав эту практику как «относительно новую область».

Он не одинок. Компания Aconity3D GmbH, Херцогенрат, Германия, которая производит принтеры для лазерной сварки металлов (LPBF), описала своих клиентов, работающих с мультиматериалами, как «первопроходцев», в основном из академических кругов. Фактически, переход технологии от идеи к реальности до сих пор был скорее струйкой, чем потоком, поскольку печать из нескольких материалов утвердилась в качестве промышленного процесса.

Печать и постобработка двух разных материалов в АМ требует тщательной оценки их свойств. «Это, конечно, не безгранично», — сказал Шон Аллан, вице-президент компании Lithoz America LLC, Трой, штат Нью-Йорк, которая производит керамические 3D-принтеры на основе литографии.

Когда его спросили, совместимы ли два материала в процессе высокотемпературного спекания и последующего охлаждения, Аллан задумался над этим вопросом. «Нам следует обратить внимание на следующее: связываются ли эти материалы друг с другом? Потому что некоторые материалы, когда вы их сжигаете, не хотят оставаться связанными друг с другом», - сказал он. «Один из важнейших факторов, на который нам следует обратить внимание, — это несоответствие температурного расширения».

Если несоответствие между двумя материалами резкое, в детали может накапливаться внутреннее остаточное напряжение по мере ее обработки. По словам Аллана, это либо приведет к расслаиванию материалов, либо к их «энергетическому разрыву» — то есть к взрыву!

Дилатометрия измеряет как тепловое расширение, так и сжатие при спекании. В результате, по словам Аллана, пользователи могут оценить, как два материала ведут себя по отдельности, и определить, как они перекрываются друг с другом, чтобы «почувствовать, является ли эта комбинация потенциально хорошей комбинацией».

Помимо объединения двух керамик, Lithoz экспериментирует с добавлением в керамику металлов. «Тогда у вас появится возможность прокладывать пути проводимости через материалы, тогда как обычно это приходится делать либо с помощью двух вещей, которые изготавливаются отдельно, либо с помощью трафаретной печати», — сказал Аллан. «Но мы можем напечатать проводящие дорожки через изолятор. Таким образом, это открывает возможности для проектирования электрических компонентов».

Практическое применение печати металлом внутри керамики может включать промышленные реакторы для химических процессов и устройства для прижигания во время хирургических операций. Однако керамика при обжиге требует гораздо более высоких температур, чем некоторые металлы могут выдержать без плавления.

«Если кто-то захочет соединить керамику с алюминием, это не сработает... потому что алюминий будет плавиться при 600°, а может быть, и при 660° C, но мы обнаружили, что самая низкая температура, при которой керамика может воспламениться, составляет около 1000°. С», — сказал Аллан. «И обычно это специальная стеклокерамика, которая хорошо работает с металлами».