Что такое керамическая 3D-печать?

Керамическая 3D-печать может использоваться для высокотехнологичных применений, а также для изготовления керамических и декоративных изделий.

Керамическая 3D-печать имеет множество вариантов использования благодаря нескольким уникальным свойствам керамических материалов. Помимо прочих характеристик, они твердые, часто гладкие и термостойкие. Керамика с 3D-печатью используется в промышленных целях, таких как медицинские детали или высокотемпературные авиационные компоненты, но вы также найдете ее используемой в декоративных целях, таких как гончарное дело и искусство.

Из-за материала в процессе 3D-печати обычно используется специализированный 3D-принтер, и изделия должны проходить постпечатную обработку, специфичную для керамики. На изготовление готовой керамической детали обычно уходит гораздо больше времени, чем на обычную пластиковую печать, но в результате получается керамическая деталь с теми же свойствами, что и у горшка ручной работы.

В этой статье мы обсудим, как керамическая 3D-печать применяется к керамике, используемые технологии и примеры принтеров, чтобы вы могли начать свою собственную керамическую печать.

Материалы

Уникальность керамической 3D-печати заключается, конечно же, в материале. В художественных кругах термины “керамика” и “глина” часто используются как взаимозаменяемые для описания различных материалов, используемых для изготовления керамики. Глина действительно является разновидностью керамики, но не вся керамика сделана из глины. Фактически, керамика включает в себя широкий спектр материалов, которые затвердевают при нагревании при высоких температурах, процесс, известный как обжиг.

Ниже приведены наиболее распространенные материалы, используемые при 3D-печати на керамике:

• Терракота — это хорошо известная керамика, которая обычно используется в горшках для растений, потому что она пористая и легкодоступная. Красноватый оттенок она приобретает из-за оксида железа, который образуется при обжиге в печи. Терракоту можно экструдировать в системах FDM, и она прочнее, чем большинство керамических изделий на основе глины.
• Фарфор представляет собой смесь кремнезема и глины. Он бывает трех видов: твердая паста, мягкая паста и костяной фарфор. Фарфор с твердой пастой — это разновидность тонкого фарфора, которая в основном изготавливается из каолиновой глины, смешанной с кварцем и полевым шпатом. Мягкая паста имеет аналогичный состав, но ее обжигают при более низкой температуре, поэтому конечный продукт получается не таким твердым, как твердая паста. В наши дни костяной фарфор изготавливают из костяной золы, каолина и полевого шпата. Фарфор можно экструдировать с помощью FDM. В виде керамической фоторезины его можно печатать с помощью совместимых полимерных 3D-принтеров или в виде порошка его можно скреплять струйным способом.
• Фаянсовая посуда — старейший известный материал, используемый в гончарном производстве, и перед обжигом ее часто обрабатывают шликером, очень жидкой смесью глины и воды, чтобы улучшить текстуру поверхности и сделать ее водонепроницаемой. В процессе обжига она не остекловывается (становится похожей на стекло), поэтому имеет более грубую отделку, чем фарфор. Фаянсовую посуду можно экструдировать. Wasp, одна из самых известных компаний, производящих керамические 3D-принтеры, продает красную разновидность этой глины.
• Керамогранит — это непористая форма керамики, которая обжигается при высоких температурах. Хотя она водонепроницаема, глазурь часто наносят в эстетических целях. Керамику чаще всего экструдируют при 3D-печати.

Керамические нити

В дополнение к керамическим материалам, которые могут быть непосредственно экструдированы специальными 3D-принтерами, существуют нити на керамической основе, которые можно печатать на обычных 3D-принтерах FDM. Эти нити обычно представляют собой композиты из связующего на полимерной основе и керамического материала. Как и другие нити, они наматываются на катушки, но часто остаются гораздо более тонкими, пока не пройдут заключительную стадию нагрева.

В процессе обжига полимер сгорает, оставляя только керамический материал. Однако для некоторых нитей требуется отдельный процесс обезжиривания, чтобы отделить полимер от керамического материала.

Существует несколько компаний, производящих керамические нити, включая Spectrum filaments, LayCeramic и Zetamix. Эти нити, как правило, намного дороже стандартных керамических материалов, таких как фаянс. LayCeramic стоит около 140 долларов за килограмм при диаметре 2,85 мм, в то время как филамент на основе циркония Zetamix стоит примерно 650 долларов за килограмм при диаметре 1,75 мм.

Керамическая печать

Сегодня существует множество способов 3D-печати керамики, и у каждого из них есть свои сильные и слабые стороны. Наиболее экономичный способ печати керамики — экструзия, но при этом обеспечивается наименьшее количество деталей. Печать на смоле и струйное нанесение связующего обеспечивают более высокий уровень детализации, но при этом высокого качества.

Экструзия

Системы на основе экструзии глины являются наиболее распространенным способом изготовления керамических деталей для гончарных работ. Одной из самых популярных систем для экструзии глины является серия глиняных принтеров delta от Wasp. В этих системах иногда используется пневматика для выталкивания глины из экструзионного сопла, но чаще используется шнек с приводом от двигателя.

Глина обычно представляет собой влажную смесь, облегчающую процесс экструзии. Однако из-за характеристик глины вытягивание может быть сложной задачей. Поэтому спиралевидные вазообразные конструкции часто печатаются методом экструзии.

Благодаря керамическим нитям обычные машины FDM также можно использовать для печати керамики. Однако из-за процесса обезжиривания отпечатки дают значительную усадку. Например, керамическая нить LayCeramic дает усадку до четверти, когда весь полимер сгорел. При проектировании геометрии керамики необходимо соблюдать осторожность, чтобы она оставалась цельной на этом этапе усадки, а толщина стенок должна быть относительно большой – Zetamix рекомендует 2 мм для своей циркониевой нити.

При работе с этими композитами обычно предпочтительны сопла большего диаметра, и вы можете добиться лучших результатов, используя сопло диаметром 0,6 мм, а не стандартные 0,4 мм. Сопло должно быть из закаленной стали или такого материала, которое выдерживает воздействие абразивных материалов.

Некоторые производители керамических нитей рекомендуют печатать на стекле и использовать ультразвуковую чистящую ванну для удаления отпечатка. Однако это может вызвать некоторые трудности, учитывая ограничения по размеру резервуара и цену ванн большего объема.

Другие методы

Керамику также можно производить с помощью совместимых полимерных 3D-принтеров и систем струйной подачи связующего. Однако эти машины, как правило, используются больше для технических применений керамики. При этом также возможно изготовление небольших декоративных керамических деталей с высокой детализацией с помощью фотополимерных систем. Здесь для начального процесса печати используется смесь керамики и полимера. В качестве примеров можно привести керамическую смолу Formlabs и Porcelite от Tethon3D.

Вес керамической смолы может создавать некоторые препятствия. Она значительно тяжелее большинства пластмасс, поэтому может быть непросто удержать детали на сборном листе.

Существуют системы струйной подачи связующего, такие как керамический принтер Kwambio, в которых для изготовления деталей с высокой детализацией используется система порошкового слоя. Порошкообразная керамика соединяется слой за слоем с помощью запатентованного связующего вещества для сохранения формы печатной детали, известной как “зеленое состояние”, до тех пор, пока ее не можно будет покрыть глазурью и обжечь. Керамика для струйной печати на биндере довольно специализирована и требует специальных машин, поэтому ее может производить не каждый принтер для струйной печати на биндере.

Хотя керамику можно изготавливать с помощью этих методов 3D-печати, необходимые станки чрезвычайно дороги – часто от пятизначной суммы. Поэтому эти методы недоступны для среднего потребителя.

Постобработка

Поскольку экструзия является наиболее распространенным способом 3D-печати керамики, стоит рассмотреть шаги, предпринимаемые после печати детали. Для экструзионных систем, которые непосредственно печатают керамический материал, отпечаткам сначала дают высохнуть в течение одной или двух недель в зависимости от используемого материала и размера детали. Перед обжигом они должны быть полностью сухими.

Затем сухие отпечатки обжигаются в печи. Наконец, наносится глазурь, затем отпечатки обжигаются глазурью. Печи дороги, поэтому многие люди предпочитают передавать процесс обжига на аутсорсинг. Поскольку процессы, как правило, такие же, как обжиг любой традиционной керамики, специализированные печи и глазурь обычно не требуются.

Для керамических нитей, напечатанных на обычных FDM-принтерах, постобработка немного сложнее. Перед обжигом печати для некоторых нитей требуется процесс обезжиривания. Например, циркониевая нить Zetamix требует двухэтапного процесса после печати детали. Сначала деталь помещают в химическую ванну с ацетоном для растворения связующего, затем ее обжигают в тигле с порошковым наполнителем для термического удаления остатков связующего. Вся постобработка занимает более двух дней.

Перед началом работы с керамическими композитными нитями стоит внимательно ознакомиться с инструкциями производителя, поскольку использование может сильно различаться в зависимости от конкретного материала.

Безопасность пищевых продуктов

Если вы хотите изготавливать изделия, безопасные для пищевых продуктов, вы должны использовать глазурь, безопасную для пищевых продуктов. Важным аспектом обеспечения безопасности печати для пищевых продуктов является ее гладкость. Некоторые материалы FDM безопасны для пищевых продуктов с точки зрения переноса частиц при контакте, но после их печати мелкие канавки и углубления на отпечатке делают его небезопасным для длительного контакта с пищевыми продуктами. Также существует вероятность загрязнения в процессе печати.

Глазурь на обожженной керамике обеспечивает гладкость, необходимую для безопасности пищевых продуктов, но это не гарантия. Поэтому убедитесь, что вы довольны тем, что отпечаток полностью покрыт, без трещин или углублений, в которых могли бы спрятаться бактерии.

Области применения

Керамическая 3D-печать вдохновила новое поколение художников, скульпторов и архитекторов, которых привлекают декоративные и исключительно детализированные формы, которые были бы невозможны или слишком трудоемки при использовании традиционных керамических процессов. Дизайнеры находят новые способы изготовления керамики — от керамики до архитектурного проектирования.

Художники-керамисты использовали процессы 3D-печати для создания керамических изделий для музейных и частных коллекций с потрясающими и уникальными результатами.

Хкдожники создают свои работы с помощью программного обеспечения для 3D-моделирования, затем печатают их в глине на 3D-принтере. После печати керамические изделия обжигаются и покрываются глазурью традиционным способом. 

В последние годы 3D-принтеры использовались для прессования терракоты для создания уникальной черепицы для крыш, искусственных рифов и даже целых зданий. Они использовались для печати фасадов зданий, в том числе blue ceramic archway в историческом голландском городе Делфт, который всемирно известен своим белым и голубым фарфором, и керамического павильона с 3D-печатью от Ceramic Morphologies, который исследует дизайнерские возможности и выразительный потенциал керамической 3D-печати.

Параметры принтера

Как упоминалось выше, 3D-принтеры могут выдавливать все, от каолина и фарфоровой глины до керамогранита и терракоты. Ниже приведены несколько вариантов:

• Eazao Zero: Это относительно недорогая экструзионная машина, готовая к печати прямо из коробки. Всего за 899 долларов Eazao Zero может выдавливать большинство глин и не требует воздушного компрессора, поэтому он идеально подходит для настольного использования. Он имеет объем сборки 150 x 150 x 240 мм и может создавать слои от 0,4 мм до 1 мм. Он может работать с экструзионными соплами размером от 0,6 мм до 1,5 мм. В целом, это очень экономичный способ начать самостоятельное изготовление керамических изделий. Они также предлагают электрическую печь за 1099 долларов, если вы хотите выполнить весь процесс производства керамики.
• Delta Wasp 2040: Этот хорошо известный глиняный принтер стоит около 3500 долларов и может изготавливать детали высотой до 40 см. Поскольку это дельта-бот с открытой стороной, с ним можно взаимодействовать с печатаемым изделием в процессе печати. Это удобно для художников, которые хотят изменять форму по мере ее изготовления. Delta Wasp 20240 может работать с различными керамическими смесями, такими как фарфор и фаянс. Кроме того, Wasp продает смесь из красной фаянсовой глины за 16 долларов (12,5 кг).