Металлы и полимеры давно освоены в качестве материалов для 3D-печати. Актуальным направлением совершенствования аддитивных технологий сейчас является освоение технологии печати керамикой. Применительно к электротехнической отрасли это позволит изготавливать таким способом прочные изоляторы, способные выдерживать высокие температуры.
На линиях электропередачи наибольшее распространение получили изоляторы из стекла благодаря долговечности, дешевизне и хорошим диэлектрическим свойствам. Стекло пока редко используется в качестве материала для 3D-печати, но применять данную технологию для производства изоляторов ЛЭП и не имеет смысла. А вот там, где требуются высокая прочность и устойчивость к высоким температурам, предпочтение отдается изоляторам из керамики. И здесь уже открываются перспективы применения аддитивных технологий.
При изготовлении электротехнического фарфора в качестве сырья берется глина с высоким содержанием оксида алюминия Al2O3. Это вещество отличается хорошими электроизоляционными свойствами. Диэлектрическая прочность оксида алюминия составляет 10–35 кВ/мм (в зависимости от условий), удельное сопротивление — около 1000 Ом·м. Температура плавления Al2O3 составляет +2044°С.
Изоляторы, изготовленные из глины, имеют неоднородную структуру. При резких перепадах температуры в изделии возникают микротрещины, ухудшающие его параметры. Поэтому современной тенденцией является производство изоляторов из чистого Al2O3. В него, при необходимости, могут вноситься добавки, придающие материалу заданные свойства, но, в отличие от глины, эти добавки равномерно распределяются по изделию.
Ближайшим конкурентом оксиду алюминия является слюда. У нее такое же удельное сопротивление, как и у Al2O3, но диэлектрическая прочность составляет 100–200 кВ/мм. Благодаря данной особенности слюдяной изолятор может быть тоньше керамического при том же напряжении пробоя. Температура плавления для сортов слюды, применяемых в электротехнике, составляет около +1300°С. Недостатком слюды является ее хрупкость. Кроме этого, при производстве и утилизации изоляторов образуется слюдяная пыль, которая очень вредна для человека. Поэтому слюдяные изоляторы постепенно вытесняются керамическими на основе Al2O3.
Необходимость 3D-печати керамических изделий из оксида алюминия возникает при изготовлении опытных образцов. 3D-печать оказывается выгодна и при мелкосерийном производстве, например, когда речь идет о выпуске деталей для космических аппаратов. Наконец, аддитивные технологии приходят на помощь, когда нужно изготовить запчасти для оборудования, которые не поставляются в нашу страну.
Поверхность алюминия под воздействием воздуха покрывается тонким (5–10 нм) слоем Al2O3. Из-за этой пленки возникают сложности при соединении алюминиевых деталей пайкой или сваркой. В то же время слой оксида алюминия, возникший естественным образом, непрочен. Он, в частности, разрушается при зажиме алюминиевого провода в клеммнике, специально предназначенном для алюминия. Для предотвращения образования слоя оксида при соединении алюминиевых проводов нередко применяют специальные пасты.
Кроме этого, если речь идет о керамике, 3D-печать позволяет изготавливать монолитным куском детали сложной конфигурации, которые при производстве иным способом нужно было делать по частям, которые потом скреплялись между собой. Это является преимуществом при производстве микросхем и других электронных компонентов.
SLM-печать
Теоретически для печати керамикой может использоваться технология селективного лазерного наплавления SLM, уже хорошо зарекомендовавшая себя для металлов. Принцип действия этой технологии заключается в послойном избирательном воздействии сфокусированным лазерным лучом на порошок из исходного материала. Под действием лазера порошок расплавляется, после застывания формируется очередной слой. Преимущество данного подхода — из принтера сразу выходит готовое изделие, не требующее потом значительной обработки.
Проблема заключается в высокой температуре плавления Al2O3. Лазеры, способные нагреть порошок из керамики до температуры выше +2000°С, пока серийно не выпускаются. Японская компания Canon еще в 2018 г. пыталась решить данную проблему посредством добавления в материал для печати оксидов редкоземельных металлов. Тем самым была понижена температура плавления до значений, когда можно использовать серийно производимые лазеры (до каких именно — в открытых источниках опубликовано не было). Но до сих пор SLM-принтеры для керамики не получили широкого распространения. Возможная причина этого — высокая стоимость расходников.
Для привлечения внимания к своей технологии в 2022 г. Canon открыла в Китае центр 3D-печати керамикой по технологии SLM. При этом более высокая стоимость расходных материалов компенсируется тем обстоятельством, что клиенту не нужно тратиться на приобретение принтера в собственность.
Двухфазное спекание
Современная 3D-печать керамикой базируется на принципе двухфазного спекания изделий. Исходным материалом для 3D-принтера является суспензия, состоящая из мелких частиц керамики и соединяющего их полимера. Заготовка, изготовленная из такой суспензии, становится готовым изделием после спекания в печи. Процесс спекания состоит из двух фаз. Сначала заготовка нагревается до температуры, когда разлагается полимерный наполнитель. А потом уже идет спекание керамики на еще более высокой температуре.
В процессе удаления полимерного наполнителя заготовка не должна деформироваться. Это требование выполняется при использовании светоотверждаемых смол. Двухфазное спекание используется при обработке заготовок в следующих двух технологиях печати керамикой.
Печать по технологии DLP
Эта технология устроена следующим образом. На поверхность суспензии проецируется изображение очередного слоя. Картинка создается проектором, работающим по микрозеркальной технологии DLP, отсюда и название всей технологии печати (известно также фирменное наименование LCM, используемое американской компанией LITHOZ). Источником света является ртутная лампа или светодиоды с длиной волны 405 нм (фиолетовый цвет). По завершении формирования очередного слоя заготовка сдвигается на его толщину по вертикальной оси вверх или вниз, в зависимости от конструкции принтера. Точнее, сначала заготовка отводится на безопасное расстояние и происходит помешивание суспензии, а потом возвращается обратно, но с некоторым сдвигом.
Преимуществом DLP-печати является высокая скорость. Но есть и недостаток, который является существенным в условиях нынешней политической нестабильности во всем мире. Основой DLP-проектора является микрозеркальный чип DMD. Мировым монополистом в производстве та-ких чипов является американская компания Texas Instruments.
DLP-принтеры для печати керамикой выпускаются под известным российским брендом AM.TECH. Но производство этих принтеров осуществляется в Китае.
Стереолитография — путь к технологическому суверенитету
В 3D-принтерах, основанных на технологии стереолитографии (SLA), чипы DMD не используются. Это позволяет не зависеть от одного поставщика компонентов, а также изготовить полностью российский принтер.
Картинка на поверхности суспензии при использовании технологии SLA последовательно рисуется сфокусированным лучом ультрафиолетового лазера с длиной волны 355 нм (в редких случаях используется лазер с длиной волны 405 нм). В остальном принцип изготовления заготовки идентичен DLP. Печать по технологии SLA идет медленнее, чем с использованием DLP, но точность значительно выше. Но как раз при мелкосерийном производстве для специальных применений (например, для авиации и космоса), где нужно обеспечить максимальную независимость от зарубежных поставщиков, точность гораздо более важна, чем быстродействие.
На прошедшем в сентябре 2025 г. в Москве форуме аддитивных технологий «Конвергентум» российская компания «ПРОКЕРАМИКА» сообщила о начале серийного выпуска первого отечественного SLA-принтера для печати керамикой. Новинка получила название «ПРОКЕРАМИКА-170». Число 170 означает диаметр рабочей платформы в миллиметрах. Первым покупателем принтера стало предприятие, входящее в холдинг «Ростех».
Важно, что помимо самого принтера «ПРОКЕРАМИКА» освоила выпуск расходных материалов для него также отечественного производства.
Помимо суспензии оксида алюминия клиентам предлагаются суспензии диоксида кремния (плавленого кварца) и диоксида циркония, стабилизированного иттрием. Анонсирован выпуск в ближайшем будущем еще нескольких видов суспензий.
Выводы
По прогнозам автора, технологии SLM, DLP и SLA для 3D-печати керамикой будут долгое время сосуществовать, и каждая из них займет свою нишу. Наиболее дорогая технология SLM обладает тем преимуществом, что не требует использования двухфазного спекания. Это выгодно, если у вас много заказов, что характерно для центров 3D-печати.
Быстродействующая технология DLP интересна коммерческому сектору для мелкосерийного производства компонентов к изделиям, выпускаемым под заказ. Такие предприятия есть и в электротехнической отрасли.
Что же касается технологии SLA, то она позволяет обеспечить наиболее высокий уровень независимости от зарубежных поставщиков комплектующих для принтеров. Благодаря этому она будет наилучшим выбором для критически важных применений. Для таких применений следует приобретать принтер в собственность государства. Кроме этого, высокая точность, характерная для SLA-технологии, важна при изготовлении деталей для научных приборов. Поэтому SLA-принтеры, печатающие керамикой, могут найти спрос в научных и учебных организациях.
В более отдаленной перспективе можно ожидать, что технология SLM, не требующая использования дополнительной печи, выйдет вперед. Но это станет реальностью, если удастся наладить серийный выпуск лазеров, способных нагревать до температуры плавления чистый оксид алюминия. Дело в том, что снижение температуры плавления керамики за счет добавок может сказываться на ее термостойкости. Появление SLM-принтеров, работающих с чистым Al2O3, позволит реализовать все преимущества, свойственные керамическим изоляторам, производимым традиционным способом.
