3D-печать неоксидных керамических материалов для космоса

В рамках работы международной конференции «Аддитивные технологии: настоящее и будущее», проходившей в октябре 2021 г. на площадке Всероссийского НИИ авиационных материалов, старший инженер компании SIU System Илья Кононыхин выступил с докладом по теме «3DCERAM. 3D-печать неоксидных керамических материалов для применений в космосе». Акцент в выступлении делался на материалы, интересные космонавтам, в частности, на нитрид кремния.

 

3DCERAM

В авиационно-­космическом секторе наблюдается повышенный интерес к использованию аддитивных методик. Крупнейшие мировые корпорации проводят широкий спектр НИОКР в данной сфере. Уже функционируют прототипы изделий, начат серийный выпуск деталей, прогнозируется расширение направлений их использования. В частности, в космосе необходимы крупные объекты из керамики, а 3DCERAM может такие предметы изготавливать.

 

Французская компания 3DCERAM занимается разработкой и изготовлением керамических 3D-принтеров, предназначенных для промышленного использования, а также расходных материалов к ним. Оборудование 3DCERAM работает по SLA-технологии, состоящей из трех этапов:

• подготовительный (создание CAD-файла, его экспорт в SLT-формат и расслаивание);

• послойное построение объекта;

• постобработка (удаление связующего вещества).

 

 

//3dceram.com/

 

Оптическое зеркало из нитрида кремния, напечатанное на 3D-принтере. Фото: https://3dceram.com/

 

Лазерная стереолитография (SLA) позволяет создавать модели необычной конфигурации и структуры, включая предметы с тонкими стенками и микроскопическими деталями. Технология обеспечивает высокую прочность готовых объектов и демонстрирует лучшие показатели точности построения. В большинстве случаев распечатанный прототип можно сразу задействовать как готовый продукт.

Оборудование компании 3DCERAM способно создавать изделия диаметром до 450 мм. Например, крупногабаритное астрономическое зеркало было выполнено по аддитивной технологии на принтере Ceramaker‑3600 Ultimate.

 

Особенности нитрида кремния

 

Одним из самых распространенных материалов, задействованных в аддитивной технологии, является нитрид кремния (Si3N4). Эта высокотехнологичная керамика уже применяется в космосе. Состав выделяется комплексом полезных для космической отрасли характеристик:

• низкий коэффициент теплового расширения (что принципиально при значительных перепадах температуры), неподверженность воздействию влаги и, как следствие, высокая стабильность структуры;

• легкий вес из-за небольшой плотности и низкого соотношения жесткости к массе;

• высокая прочность, обеспечивающая неуязвимость к повышенным нагрузкам в момент пуска, когда идут вибрации и другие экстремальные механические воздействия;

• устойчивость к разрушению и пригодность для болтовых креплений (в распечатанном объекте возможно просверлить резьбу, которая впоследствии не будет срываться).

 

Материал разработан и испытан совместно с компанией-­заказчиком Thales Alenia Space и квалифицирован для дальнейших испытаний перед полетом в космос.

 

//3dceram.com/

 

Сотовая структура из нитрида кремния, напечатанная на 3D-принтере. Фото: https://3dceram.com/

 

Применение Si3N4 в аддитивном производстве

Не всякий ресурс пригоден для 3D-индустрии. Некоторые составы активно задействуются в космическом секторе, но непригодны для аддитивного производства. Si3N4 — материал, который устойчив к разрушению, плохо поддается обработке. Но эту сложность ученые обратили себе на пользу. Благодаря техническим свой­ствам нитрида кремния, материал стал полезен для следующих направлений:

• выпуск конструкционных деталей, не поддающихся или плохо поддающихся механической обработке;

• производство компонентов с расширенными функциями (например, при использовании АТ были облегчены элементы с обратной выпуклостью, усовершенствованы каналы для охлаждения без ущерба для жесткости).

 

У компаний космической отрасли, применяющих консервативный цикл отбора материалов, существует линейка повышения технологической готовности, состоящая из следующих этапов (TRL):

• разработка идеи;

• трансформация замысла в техническую концепцию;

• тестирование проекта на выполнимость, отработка состава;

• оценка рисков производства (какая повторяемость, процент брака);

• изготовление макетного образца, демонстрирующего ключевые характеристики;

• исследование материала с позиции пригодности для принтера, определение оптимальных настроек, достижение однородности слоев;

• создание демонстратора — «боевой детали», доказывающей, что компонент будет работать.

 

На сегодня нитрид кремния продемонстрировал возможность создания керамического состава для 3D-печати, доказаны его хорошие термические и механические свой­ства, напечатаны первые прототипы.

 

Состояние разработки

Чтобы получить необходимые показатели для DataSheet, нужны испытания. Клиентами для разработки Si3N4 стали франко-­итальянский производитель аэрокосмической продукции Thales Alenia Space и аналог Российской академии наук — Национальный центр космических исследований (CNEC).

Когда нитрид кремния испытали — выполнили рентгенодифракционный анализ после спекания, было установлено, что материал соответствует составу, получаемому традиционным способом.

 

Также был сделан анализ микроструктуры Si3N4, продемонстрировавший интересные результаты:

• отсутствие скоплений пор, крупных или бывших полостей, заполненных межкристаллитными стекло-

образными фазами;

• вблизи поверхности наблюдаются лишь субмикронные поры, которые типичны для материалов из нитрида кремния и не влияют на прочность;

• форма зерен Si3N4 — шестигранник с обычным соотношением сторон, средний диаметр — 1,04 мкм.

 

Кроме того, была проведена оценка прочности. Согласно заключению экспертов, материал позволяет добиться качественной поверхности. Для определения качества внутренней структуры специалисты выполнили фрактографию — исследование рисунка разрушения. Анализ показал, что аддитивное производство не приводит к расслоению конечного объекта.

Исследования продемонстрировали, что аддитивный материал получился даже более прочным, чем тот, который уже используется заказчиком.

 

Перспективы

Когда состав отработан и достигнуты нужные свой­ства, совместно с заказчиком проводится работа по подготовке модели с учетом критичных для космического применения запросов. Задача — максимально снизить риски при аддитивном производстве, обеспечивая высокое постоянство качества и значительно снижая процент отбраковки.

 

3DCERAM — один из немногих поставщиков, умеющих печатать нитридом кремния. Совместно с CNEC и Thales Alenia Space компания смогла улучшить свой­ства материала. Первые прототипы уже прошли тестирование у заказчика. Сейчас идет работа над функциональной деталью, напечатанной из Si3N4, которая действительно полетит в космос. ■

 

https://siusystem.ru/

 

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 1-2022

 

Теги: 

компания SIU System, 3DCERAM, 3D-печать неоксидных керамических материалов для применений в космосе, керамические 3D-принтеры, SLA-технология, Оборудование 3DCERAM, Применение Si3N4 в аддитивном производстве, журнал "Аддитивные технологии" № 1-2022

Другие материалы:

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи или пресс-релизы
со ссылками и изображениями. info@additiv-tech.ru