Technologia LCM

Technologia LCM – Przetwarzanie ceramiki technicznej za pomocą druku 3D

Dla wszystkich znanych technologii wytwarzania przyrostowego rozwój materiałów jest kluczowym zagadnieniem i stanowi największe ograniczenie aplikacyjne. Od lat 80-tych i 90-tych firmy rozwijające szybkie prototypowanie stawiały najwyższy nacisk na rozwój tworzyw sztucznych. Spowodowane to było przede wszystkim zapotrzebowaniem na prototypy elementów masowo produkowanych z form wtryskowych, które są bardzo kosztownym narzędziem do wytworzenia, a każdy najmniejszy błąd w formie oraz błędy wymiarowe są obarczone kosztownymi poprawkami lub potrzebą przeprojektowania formy.

Z kolei wykonanie prototypów elementów metalowych od samego początku nastręczało dużo większych problemów technicznych ze względu na wymagania dotyczące dokładności wykonania detalu, które są zazwyczaj o rząd wielkości lepsze od elementów z tworzyw sztucznych. Dodatkowym warunkiem trudnym do spełnienia jest utrzymanie odpowiednio wysokiej wytrzymałości mechanicznej. Jednak największym wyzwaniem dla twórców technologii druku 3D są materiały ceramiczne.

Ceramika posiada szereg unikatowych własności niespotykanych w innych grupach materiałowych.

Najważniejsze z tych cech to:

  • odporność chemiczna,
  • wysoka wytrzymałość temperaturowa,
  • twardość i sztywność, które są trudne do uzyskania w innych grupach materiałowych.

Jednocześnie samo tworzenie technicznych elementów ceramicznych jest bardzo trudne ze względu na występowanie dużych skurczów termicznych ceramiki podczas wypalania lub spiekania oraz trudności w formowaniu kształtów oraz zachowanie odpowiedniej dokładności wymiarowej.

Wszelkie próby przetwarzania ceramiki na maszynach do laserowego przetapiania proszków metali kończyły się niepowodzeniem ze względu na pękanie materiału spowodowane dużymi gradientami temperaturowymi w tym procesie. Metody spajania proszków ceramicznych przy pomocy nadrukowywanego lepiszcza (technologia 3DP/CJP) były z kolei za mało dokładne i generowały znaczne porowatości w strukturze materiału podczas wypalania. Z kolei metody ekstruzyjne warstwowego budowania detali ceramicznych były niedokładne i uniemożliwiały budowanie cienkich ścian. Jeszcze do niedawna nie istniała żadna technologia druku 3D pozwalająca na wytwarzanie pełnowartościowych technicznie detali z takich materiałów ceramicznych jak tlenek cyrkonu (ZrO2) czy tlenek aluminium (Al203), z których wytwarzane są precyzyjne komponenty dla przemysłu elektrotechnicznego, chemicznego i maszynowego.

Dopiero technologia LCM (Lithography-based Ceramic Manufacturing) opatentowana przez austriacką firmę Lithoz GmbH pozwoliła na szybkie budowanie niemal dowolnie skomplikowanych technicznych a także medycznych materiałów ceramicznych. Metoda LCM przypomina w działaniu proces stereolitografii na bazie chipów DLP z wykorzystaniem światła niebieskiego.

Głównym kluczem do sukcesu są:

  • precyzyjna kompozycja fotopolimeru z nanoproszkami ceramicznymi,
  • sposób homogenizacji żywicy i utwardzania warstw,
  • proces wypalania i synteryzacji.

W procesie LCM pękanie materiału jest wyeliminowane poprzez stopniowe łagodne utlenienie macierzy zlepiającej cząstki ceramiki, a następnie spieczenie detalu w wysokiej temperaturze. Dzięki temu uzyskuje się wysokiej gęstości  wytrzymałe detale prototypowe jak i krótkie serie produkcyjne. W LCM struktury podporowe budowane są z materiału rodzimego i wymagają odcięcia przed wypaleniem.

ceramika_w_druku_3d_lithoz

Drukarka 3D firmy Lithos – CeraFab 7500 do budowy elementów ceramicznych z tlenku cyrkonu i tlenku aluminium. Maszyna posiada opatentowany system rozprowadzania żywicy z nanocząstkami ceramiki tak, aby utrzymać jej stałą homogeniczność.

W tej technice nadal istnieje szereg zasad projektowania, które są znane inżynierom korzystających na co dzień z techniki wtrysku ceramiki do form jednak ze względu na warstwowy charakter techniki LCM można pominąć ograniczenia wynikające z samej konstrukcji formy. Daje to szereg nowych możliwości zarówno w kwestii kształtu jak i możliwości formowania nowych materiałów w tym materiałów hybrydowych.

Firma Lithoz obecnie standardowo oferuje 2 gatunki ceramiki technicznej opartej na tlenku cyrkonu i tlenku glinu oraz 1 materiał biozgodny bazujący na fosforanie wapnia. Ponadto Lithoz jest otwarty na wszelkiego rodzaju nowe pomysły wykorzystania technologii LCM zarówno pod kątem nowych materiałów jak i aplikacji.

Dzięki swobodzie projektowania elementów ceramicznych dzięki technologii LCM można wytworzyć elementy, które do tej pory nie były możliwe do wykonania metodami klasycznymi.

ceramika_w_druku_3d_aplikacje

ceramika_w_druku_3d_lithoz_aplikacje

Zdjęcia i rysunek przedstawia miniaturową pompę sztucznego serca napędzana helem wykonaną ze skomplikowanych elementów ceramicznych wybudowanych w technologii LCM. Projekt ten był wykonany przez Wiedeński Uniwersytet Technologiczny przy wsparciu Wiedeńskiego Uniwersytetu Medycznego oraz firmy Lithoz. Niektóre ze ścianek wirnika napędowego dochodzą do grubości 0,4 mm.