Full Text

Введение Высокая популярность аддитивных технологий обусловлена их революционностью, которую можно сравнить с появлением печатного станка. Как в XV в. изобретение Гуттенберга привело к началу роста уровня грамотности и ускорению распространения информации, способствовало последующей популярности протестантизма и развитию науки, так же и 3D-печать может стать технологией, которая изменит современную промышленность, а также важной потребительской технологией [1]. Производство деталей с использованием аддитивных технологий позволяет без лишних проблем создавать внутренние полости сложной формы. Высокая точность 3D-печати определяет ее превосходство над заливкой в форму и меньшую зависимость от качества механической обработки [2]. В настоящее время основной проблемой аддитивных технологий является их неуниверсальность, обусловленная малым выбором материалов. В металлургии активно развиваются направления 3D-печати различными металлами [3, 4], сплавами [5, 6] и композитами [7, 8], однако количество типов используемых полимеров [9] и керамики [10] все еще достаточно мало. Более того, вектор развития данного направления все более смещается в сторону разработки проприетарных (закрытых и защищаемых патентами) материалов для печати [11], что в будущем может стать помехой для полноценного и широкого внедрения 3D-печати в современную промышленность. Именно поэтому попытки создания относительно дешевых, экологически чистых материалов с малозатратным технологическим процессом производства являются важными для дальнейшего развития индустрии аддитивных технологий. Известно, что одним из наиболее экологичных методов получения пористых и компактных керамических изделий является метод гелевого литья [12, 13] из водных суспензий, при осуществлении которого содержание выгорающих добавок составляет менее 5 % от массы керамического порошка [14]. Метод основан на получении и заливке в форму суспензии из керамического порошка и водного раствора полимера с образованием гелевой структуры в процессе застывания. Сушка и спекание заготовки приводят к формированию изделия с достаточно высокой прочностью [15]. Обычно в методе гелевого литья используют ультрадисперсные порошки [16]. Свойства получаемой керамики во многом определяются реологическими характеристиками суспензий. В случае получения гелевой структуры не заливкой в форму, а 3D-печатью необходимо решить такие проблемы, как высокая вязкость подобных суспензий и высокая скорость их застывания. Цель проведенного исследования - изучить влияние различных добавок и температуры на вязкость суспензий диоксида титана в водном растворе поливинилового спирта и их пригодность для использования в 3D-печати. Материалы и методики исследований В качестве керамического порошка использовали порошок диоксида титана, который представлял из себя промышленный субмикронный порошок рутила [17]. Размер частиц 250 нм рассчитан по удельной поверхности. В качестве гелеобразователя применяли поливиниловый спирт (ПВС) в виде 10%-ного водного раствора [18]. Соотношение порошок: дисперсионная среда при приготовлении суспензий составило 1:1. Для снижения вязкости к раствору ПВС добавляли один из следующих реагентов: глицерин (C3H8O3), пропиленгликоль (C3H8O2), полиметакрилат аммония (NH4[(С5O2H8)n]) и твин 80 (C64H26O124). Все использованные в качестве добавок вещества известны как поверхностно-активные вещества, способные активно изменять свойства водных растворов. Добавки вводили в количестве 10 об. % в раствор гелеобразователя. Соотношение дисперсной и дисперсионной сред при этом не изменяли. Исследования вязкости проводили на реометре Rheotest RN4.1 (Messgerate Medingen GmbH, Germany) [19] с использованием цилиндрической системы К1 при нагрузке 2000 Па. Максимальная погрешность измерений 3 %. В качестве 3D-принтера использовался Wanhao Duplicator I3 V2.1 (WANHAO Precision Casting Co., Ltd.). Дополнительно сконструирована система, позволяющая направлять суспензию во время печати посредством трубок и давления, создаваемого насосом, соединенным с шаговым мотором 3D-принтера зубчатой передачей. Результаты и их обсуждение На рис. 1 представлена гистограмма, иллюстрирующая влияние добавок на вязкость суспензий на основе водного раствора поливинилового спирта. Содержание добавки во всех случаях 10 об. %. Нагрузка 2000 Па. Все использованные добавки позволяют снизить вязкость суспензий. Наилучший результат достигнут при введении твин 80. Ввиду специфики 3D-печати даже разница в значениях 0,08 Па·с может играть большую роль, что было доказано на примере суспензий с полиметакрилатом аммония и твин 80, первая из которых оказалась слишком вязкой для использования, в то время как вязкость второй достигла удовлетворительной текучести. Уменьшение содержания полиметакрилата до 2 об. % почти не оказало воздействия на вязкость суспензии. Рис. 1. Вязкость суспензий на основе поливинилового спирта в качестве дисперсионной среды: 1 - без добавок; 2 - с добавкой глицерина; 3 - с добавкой пропиленгликоля; 4 - с добавкой твин 80; 5 - с добавкой полиметакрилата аммония Суспензии с добавками пропиленгликоля и глицерина показали положительные результаты в области снижения вязкости при температуре выше 40°, однако при этом была обнаружена другая проблема - высокая скорость застывания суспензии внутри сопла 3D-принтера. Исследования вязкости суспензий при значениях температуры 40, 60 и 90 °С показали, что нагрев вызывает постепенный рост вязкости, не связанный с открытостью системы, т.е. возможным снижением содержания дисперсионной среды. Подобный результат можно объяснить наличием гелеобразования, в ходе которого образуется полимерная сетка, структурирующая частицы керамического порошка. Это подтверждается и тем, что в закрытой системе некоторые суспензии показывали способность релаксировать под большой нагрузкой (10 000 Па) после трех последовательных выдержек длительностью полчаса каждая, как показано на рис. 2. Можно заметить, что пики на начальном этапе характеризуют сопротивление сформировавшейся структуры прилагаемому напряжению, а меньший их размер на втором и третьем времени выдержки говорит о необратимом разрушении полимерной сетки. Установлено, что наиболее важным фактором, который предполагается контролировать с помощью температуры или модификации состава, является скорость высыхания суспензий на воздухе. Показано, что добавка твин 80 позволяет получить достаточно жидкую при комнатной температуре суспензию, которая быстро застывает при температуре выше 60 °С. Это позволяет обеспечить удовлетворительную скорость печати и отсутствие растекания суспензии. В работе использовали простейший 3D-принтер Wanhao i3 Cura, технические ограничения которого определяют медленное развитие данной работы в области непосредственной 3D-печати. Излишне высокая минимальная температура нагрева сопла (170 °С), низкая максимальная скорость подачи материала и малые возможности в области создания алгоритма действий приводят к необходимости учитывать некоторые побочные факторы, в той или иной степени препятствующие практической проверке получаемых суспензий. Однако техническая простота используемого нами прибора позволяет транслировать полученные результаты на более совершенные модели. Известные работы Рис. 2. Диаграммы измерения вязкости суспензии с 10 об. % твин 80 при разном времени выдержки: 1 - без выдержки; 2 - первая выдержка; 3 - вторая выдержка; 4 - третья выдержка. Все выдержки проводились последовательно в течение 30 мин каждая в данной области [20] выполнены с использованием более затратных технологий на более дорогих приборах, что делает подобные результаты зависимыми от конкретного типа 3D-принтеров и зачастую конкретного проприетарного сырья. Выводы Исследована возможность применения суспензий, используемых в гелевом литье, для осуществления процесса 3D-печати. Результаты показали, что подобные составы могут быть использованы, однако требуется более тщательный контроль определенных параметров. Показана необходимость комбинации методов контроля для достижения наиболее подходящих результатов. Использование простого 3D-принтера дает нам возможность говорить о потенциальной универсальности разрабатываемой технологии.

About the authors

B. P Mishchinov

Perm National Research Polytechnic University

I. R Zigan'shin

Perm National Research Polytechnic University

S. E Porozova

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 85

PDF (Russian) - 34

Refbacks

• There are currently no refbacks.