Ключевые проблемы, препятствующие индустриализации керамического аддитивного производства

Серийное производство керамики с использованием аддитивных технологий (AM) в последние годы привлекло большое внимание благодаря высокому коэффициенту использования материалов, коротким производственным циклам, отличной точности формования и возможности производства сложных керамических деталей небольшими партиями. Это делает его особенно привлекательным для индивидуализированного производства. Однако, несмотря на свои преимущества, аддитивное производство керамики сталкивается с серьезным препятствием на пути к индустриализации: образованием дефектов, таких как трещины и поры , что значительно снижает прочность конструкции и механические характеристики керамических деталей.

Основной барьер: дефекты трещинообразования

Среди различных дефектов трещины выделяется как наиболее серьезная проблема, ограничивающая практическое применение аддитивного производства керамики. Трещины могут существенно ослабить керамические компоненты и часто возникают из-за остаточных напряжений и сложных термических процессов, присущих аддитивным технологиям.

Аддитивное производство керамики можно в целом разделить на косвенные и прямой методы, в зависимости от необходимости последующей обработки.

• Косвенное аддитивное производство керамики обычно предполагает формирование полимера, наполненного керамикой, с последующим удалением связующего и спеканием , в течение которого образуются большинство трещин.

• Прямое керамическое аддитивное производство , с другой стороны, использует лазерные или электронные лучи высокой энергии для селективного плавления и затвердевания керамических порошков. Это приводит к экстремальным температурным градиентам и скоростям охлаждения , которые создают термические, усадочные и остаточные напряжения, вызывающие различные виды трещин.

Морфология трещин в непрямом керамическом аддитивном производстве

В непрямом керамическом аддитивном производстве трещины обычно классифицируются по стадии их возникновения:

• Трещины формования возникают во время формирования зеленой заготовки, часто из-за того, что усадочные напряжения превышают прочность связующего. Обычно они маленькие и проявляются как горизонтальные или крестообразные микроскопические трещины, размер которых колеблется от нано- до микромасштаба.

• Спекательные трещины возникают при высокотемпературной обработке. Эти трещины более широкие, имеют случайную ориентацию и могут быть поперечными, продольными или диагональными, что существенно влияет на механические свойства.

Дальнейшая классификация включает:

• Микротрещины , как правило, расположены по границам зерен или вокруг пор. Они могут проявляться как межкристаллитные или транскристаллитные трещины и могут иметь ответвления или отклонения в зависимости от поглощения энергии во время распространения.

• Макротрещины , которые более заметны и обычно распространяются вдоль слабых зон внутри материала, часто начинаются в местах пор вследствие концентрации напряжений.

Трещины в косвенном аддитивном производстве керамики: (a) Образование трещин; (b) Трещины усадки.

Сравнение косвенного аддитивного производства керамики до и после обжига

Морфология трещин в прямом аддитивном производстве керамики

В прямое керамическое аддитивное производство , макротрещины обычно развиваются в двух ориентациях:

• Поперечные трещины , перпендикулярные направлению сканирования лазера.

• Продольные трещины , параллельные направлению сканирования.

Эти трещины часто возникают на границе между нанесенными слоями и немелтым порошком, распространяясь внутрь и иногда образуя диагональные узоры. В системах с подачей порошка трещины часто появляются в центральной части или по краям наплавленного слоя. Центральная область, как правило, демонстрирует короткие, плотные продольные трещины, тогда как краевые области могут содержать более глубокие, изолированные трещины.

Трещины в технологии прямого керамического аддитивного производства: (a-c) Микротрещины; (d-e) Макроскопические трещины.

Технологические вызовы в керамическом аддитивном производстве

Хотя недавние достижения расширили возможности керамического аддитивного производства, выпуск крупногабаритных безтрещинных компонентов остается сложной задачей. Основные проблемы включают:

1. Отсутствие единого критерия образования трещин

Существующие модели в основном эмпирические и основаны на пороговых значениях остаточных напряжений, что обеспечивает ограниченное понимание процессов в различных материалах и методах. Универсальный критерий возникновения трещин должен учитывать энергию границ зерен, атомные связи и поверхностную энергию пор — это сложная задача для многокомпонентных систем.

2. Сложности моделирования развития трещин

Пространственно-временную эволюцию трещин трудно зафиксировать экспериментально. Для точного прогнозирования зарождения и роста трещин при многофакторных условиях требуются продвинутые многоуровневые симуляции (например, конечно-элементный метод кристаллической пластичности, метод фазового поля).

3. Недостаточное управление напряжениями при прямом аддитивном производстве

Резкие тепловые градиенты присущи прямому аддитивному производству, поэтому сложно избежать образования трещин. Хотя существуют методы, такие как предварительный нагрев и ультразвуковая помощь использовались для снижения стресса, их эффективность ограничена. Перспективным направлением осаждение с использованием нескольких энергетических полей , сочетающая контроль температуры, давления и вибрации, демонстрирует потенциал в подавлении образования трещин в крупных керамических деталях.

4. Потребность в интеллектуальном мониторинге и обратной связи процесса

Сочетание технологий оперативного мониторинга (например, рентгеновская компьютерная томография, инфракрасная термография) с ИИ и машинное обучение может произвести революцию в обнаружении и предотвращении дефектов. Анализируя данные in-situ и интегрируя их в прогностические модели и системы обратной связи, параметры процесса можно динамически оптимизировать для подавления образования трещин до начала их развития.

Заключительные мысли

Аддитивное производство керамики представляет собой прорывной путь создания передовых керамических материалов, однако образование трещин остается основным препятствием для его промышленного применения. Хотя морфологические характеристики трещин хорошо изучены, механизмы их образования значительно различаются между прямыми и непрямыми методами.

Понимание происхождения, распространения и подавления трещин будет ключом к раскрытию полного потенциала керамической аддитивной технологии. Текущие исследования, объединяющие материаловедение, технологию процессов и интеллектуальный мониторинг играют решающую роль в преодолении этой проблемы и внедрении керамических аддитивных технологий в основное промышленное производство.