Исследователи Передовой инженерной школы СВЧ-электроники РТУ МИРЭА разрабатывают технологию 3D-печати керамических композитов для СВЧ-техники. Обычные методы производства керамических деталей требуют дорогой оснастки и не позволяют быстро менять форму изделия. LCD-печать суспензиями с керамическим наполнителем решает эту проблему, но создаёт новые вызовы: частицы керамики оседают на дно и слипаются в комки. Учёные нашли способ сделать суспензию стабильной с помощью ультразвукового диспергирования и подбора специальных добавок.
Керамика необходима в СВЧ-технике – она выдерживает высокие температуры и частоты. Однако изготовление деталей из неё традиционными методами требует создания пресс-форм, что долго и дорого, особенно если нужна небольшая партия или уникальная форма. 3D-печать могла бы решить эту проблему. В РТУ МИРЭА для этого используют LCD-принтеры, применяемые для печати моделей из фотополимерной смолы. Только вместо чистой смолы в ванну заливают суспензию: фотополимерную смолу с добавлением керамического порошка – титаната бария.
После печати керамические частицы остаются в детали, придавая ей нужные свойства. Но возникает проблема: тяжёлые керамические частицы быстро оседают на дно. В эксперименте с 10% наполнением керамики в смоле наполнитель распределился неравномерно – в верхней части детали его почти не было, а в нижней оказалось слишком много. Использование поддерживающих структур проблему не решило.
Два пути решения
Учёные предложили два подхода. Первый – ультразвуковое диспергирование: специальный аппарат «разбивает» слипшиеся частицы и равномерно распределяет их по объёму. При этом важно не перегреть суспензию – иначе пострадает сама смола, поэтому диспергатор включают импульсами.
Второй путь – добавление поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые не дают частицам слипаться и замедляют оседание. В мировой практике для этого используют олеиновую кислоту или специальные добавки. Это позволяет повысить степень наполнения керамикой до 35–55% и сделать суспензию пригодной для печати. Также решается проблема адгезии: напечатанная деталь плохо держится на столе принтера, что требует дополнительной настройки режимов печати и постобработки.
«Наша цель – получить готовую технологию печати керамических композитов с заданными электрофизическими свойствами. Это позволит разработчикам СВЧ-устройств быстро изготавливать прототипы сложной формы и оперативно вносить изменения в конструкцию. В перспективе технология может использоваться не только в СВЧ-технике, но и в других отраслях, где нужна прочная, термостойкая и точная керамика», – комментирует кандидат технических наук, заведующий кафедрой инженерии материалов Передовой инженерной школы СВЧ-электроники РТУ МИРЭА Светлана Тюрина.
«Керамика в СВЧ-технике незаменима, но традиционное производство тормозит разработку новых устройств – слишком долго и дорого менять форму детали. 3D-печать даёт свободу, но создаёт новую задачу: как заставить тяжёлые керамические частицы не оседать и не слипаться, пока идёт печать. Мы нашли решение с помощью ультразвука и специальных добавок. Следующий шаг – подобрать такой состав, чтобы деталь сохраняла форму во время печати и после неё», – рассказывает студентка кафедры инженерии материалов Передовой инженерной школы СВЧ-электроники РТУ МИРЭА Екатерина Серова.
Результаты исследования представлены в сборнике научных трудов и опубликованы в журнале. Работа выполнена в Передовой инженерной школе СВЧ-электроники РТУ МИРЭА.
