Czy rozważasz węglik krzemu w swoim kolejnym projekcie druku 3D? Dzięki swoim wyjątkowym właściwościom termicznym i mechanicznym ceramika węglika krzemu rewolucjonizuje laminowanie.
Ten kompleksowy artykuł dostarczy wszystkich informacji o wydrukach 3D z węglika krzemu. Obejmuje podstawową technologię, od praktycznych zastosowań po środki ostrożności przy zakupie.
Węglik krzemu :Podstawowe właściwości i cechy
Najpierw zrozumiemy znaczenie węglika krzemu jako materiału inżynieryjnego. Następnie omówimy różne aspekty drukowania 3D.
Główne właściwości ceramiki węglika krzemu
-
Doskonała twardość: Węglik krzemu karborund ma twardość 9,5, co niemal odpowiada twardości diamentu wynoszącej 10. Taka twardość sprawia, że idealnie nadaje się do produkcji narzędzi tnących i materiałów ściernych.
-
Odporność na wysoką temperaturę: Węglik krzemu wytrzymuje ekstremalne ciepło bez topienia się. temperatura topnienia węglika krzemu wynosi 2700 °C, co sprawia, że nadaje się do stosowania w bardzo wysokich temperaturach.
-
Przewodność cieplna: Obecnie wzrasta wykorzystanie węglika krzemu jako półprzewodnika. Dzieje się tak ze względu na wysoka przewodność cieplna SiC z węglika krzemu, tj. 120-270 W/M.
-
Stabilność chemiczna: Jest odporny na uszkodzenia spowodowane przez większość kwasów, zasad i soli. Jego dobra stabilność chemiczna jest ważna dla jego wykorzystania jako sprzętu do przetwarzania chemicznego.
-
Niska rozszerzalność cieplna: Współczynnik rozszerzalności cieplnej SiC (4,0 × 10 ^ -6/K) jest bardzo niski. Materiał ten zachowuje swój kształt nawet przy zmianie temperatury.
-
Gęstość: Ten Gęstość SiC wynosi zwykle od 3,1 do 3,2 g/cm3, co oznacza, że jest lżejszy od wielu metali, a jednocześnie wytrzymały.
Struktura i forma kryształu
Kryształ węglika krzemu struktury obejmują ponad 200 form (politypów). Do najczęstszych należą:
-
SiC typu alfa: Struktura krystaliczna kryształu sześciodrożnego jest najbardziej stabilna i jest powszechnie stosowana w przemyśle.
-
SiC typu beta:. Beta SiC powstaje w temperaturach poniżej 1700 °C. Jego struktura krystaliczna jest podobna do diamentów. Typ beta ma stosunkowo mało zastosowań komercyjnych.
Ten Struktura SiC bezpośrednio wpływa na właściwości mechaniczne i elektryczne. Różnice we wzorach kryształów przynoszą różne korzyści konkretnym zastosowaniom.
Ceramika z węglika krzemu Drukowanie 3D Metoda
Kilka Druk 3D ceramiki technologie są wykorzystywane do opracowywania ceramiki na bazie SiC. Każda metoda ma swoje zalety i ograniczenia.
Litografia stereo dla SiC (SLA)
Proces ten wykorzystuje mieszankę żywicy fotoutwardzalnej i proszku SiC. Kroki są następujące:
-
Stwórz mieszankę proszku SiC i polimerów światłoczułych
-
Użyj lasera do utwardzania żywic i tworzenia kształtów dla każdej warstwy
-
Usuwanie polimerów poprzez ogrzewanie
-
Podgrzewanie w wysokiej temperaturze (1400-2000 °C) w celu wytworzenia finalnej części ceramicznej
SLA zapewnia gładkie powierzchnie i drobne szczegóły. Istnieją jednak problemy z gęstością i końcową jakością komponentów.
Integracja chemicznej osmozy parowej (CVI)
Zaawansowana technologia łącząca drukowanie strumieniowe spoiwem i metodę penetracji fazy gazowej chemicznej pozwala uzyskać SiC o wysokiej czystości i całkowitym krystalicznym krysztale. Dzięki temu procesowi przewodność cieplna wynosi 37 W/ (m· K), wytrzymałość na zginanie wynosi 297 MPa, a maksymalna temperatura robocza wynosi 1000 ° C. Ta metoda zapewnia wysokiej jakości materiały klasy jądrowej niezbędne do zastosowań w wysokich temperaturach.
Natryskiwanie spoiwa (dla SiC)
Ta technika działa poprzez
-
Rozprowadź cienką warstwę proszku SiC
-
Dodaj spoiwa do wybranych części proszku
-
Powtórz tę czynność, aby utworzyć kompletną część
-
Usuń spoiwa i wzmocnij części poprzez obróbkę końcową poprzez podgrzanie
Binder jetting pozwala na szybszą produkcję i lepsze kształtowanie. Może jednak skutkować niższą gęstością części niż w przypadku innych metod.
Reakcyjny sprzężony węglik krzemu (RBSiC)
Dzięki zaawansowanej technologii łoża proszkowego produkujemy reaktywne wiązanie krzemu SiC o twardości zbliżonej do diamentów. Proces ten umożliwia podcięcie i części puste, a maksymalna temperatura robocza przekracza 1400 °C, ale resztkowy krzem pozostaje wyzwaniem.
Oświetlenie bezpośrednie atramentem (DIW) dla SiC
Metoda ta wykorzystuje następujące elementy:
-
Atrament SiC o konsystencji pasty z możliwością kontrolowania charakterystyki przepływu
-
Wyciśnij bezpośrednio przez dyszę i uformuj strukturę na każdej warstwie
-
Staranne suszenie w celu zachowania kształtu
-
Ogrzewanie wysokotemperaturowe w celu uzyskania końcowych właściwości
W procesie DIW marnuje się bardzo mało materiałów, ale istnieją pewne ograniczenia w zakresie formowania bardzo szczegółowych kształtów.
Produkcja włókien topionych dla SiC (FFF)
Przełomowe podejście do wykorzystania filamentów wypełnionych 67.6% SiC, działające na standardowych drukarkach FFF. Ta metoda wymaga tylko 0,6 mm hartowanych dysz stalowych, które można drukować jak normalne PLA, a ceramika 100% jest produkowana po spiekaniu. Przy gęstości 1,9 g/cm3, części ceramiczne można produkować za pomocą dowolnej drukarki o otwartej architekturze
Selektywne spiekanie laserowe SiC (SLS)
Metoda ta obejmuje
-
Rozprowadź cienką warstwę proszku SiC
-
Roztop wybrane obszary za pomocą laserów o dużej mocy
-
Budowanie części według warstwy
-
Obróbka końcowa w celu poprawy gęstości i wykończenia powierzchni
SLS może tworzyć złożone kształty. Jednak ma problemy z osiągnięciem pełnej gęstości przy użyciu komponentów ceramicznych.
Wyzwania związane z drukiem 3D ceramiki SiC
W metodzie druku 3D nastąpił znaczny postęp Ceramika SiC niedawno. Nadal ma pewne ograniczenia.
Wyzwania techniczne
-
Osiągnięcie pełnej gęstości: To jedno z głównych wyzwań. Większość części SiC wymaga dodatkowej obróbki, aby osiągnąć gęstość. Obecna Drukowanie 3D z węglika krzemu procesy osiągają 95-98% gęstości teoretycznej bez dodatkowego przetwarzania. Może to skutkować słabymi właściwościami mechanicznymi struktury.
-
Kontrola skurczu: Czynniki wpływające na kurczenie się obejmują temperaturę, ciśnienie, wielkość cząstek i szybkość chłodzenia. Kurczenie się utrudnia zachowanie dokładności wymiarowej. Ogólna szybkość kurczenia się wynosi 15% do 20%.
-
Chropowatość powierzchni: Chropowatość powierzchni to jedno z kolejnych wyzwań. Chropowata powierzchnia często wymaga dodatkowego wykończenia, aby była gładka.
-
Wady wewnętrzne: Podczas drukowania i nagrzewania w produktach pojawiają się pęknięcia i pory. Te wady osłabiają ogólną strukturę.
Wyzwania materiałowe
-
Właściwości proszku: Jakość proszku SiC zależy od wielkości cząstek, rozkładu i czystości. Czynniki te mają duży wpływ na jakość druku i końcowe właściwości.
-
Zgodność spoiwa: Spoiwa to kleje, które utrzymują proszek ceramiczny razem. Trudno znaleźć spoiwo kompatybilne z proszkiem SiC.
Najnowsze osiągnięcia w druku 3D z węglika krzemu
Badania i rozwój nadal się poprawiają Drukowanie 3D z węglika krzemu możliwości:
Przetwarzanie kompozytowe: Łącząc druk 3D z konwencjonalną metodą przetwarzania, możemy uzyskać świetne rezultaty. Na przykład, możemy stworzyć początkowy kształt za pomocą druku 3D. Następnie, używając prasy na gorąco, możemy osiągnąć niemal idealną gęstość.
Nowa mieszanka:. Badacz używa różnych substancji chemicznych, które poprawiają drukowanie i zachowanie podczas ogrzewania. Niektóre kompozycje zawierają dodatki, które obniżają wymaganą temperaturę obróbki.
Druk wielomateriałowy: Dzięki eksperymentom możliwe jest teraz drukowanie SiC z innymi materiałami ceramicznymi, w tym druk 3D z tlenku glinu kombinacji i metali. Umożliwia mieszanie struktur o dostosowanych właściwościach do konkretnych zastosowań.
Zastosowania przemysłowe i trendy rynkowe
Druk 3D węglika krzemu rozszerza się w wiele branż:
Lotnictwo i Obrona
-
Lekkie części wysokotemperaturowe do silników lotniczych
-
Osłona termiczna dla statków kosmicznych
-
Kanał chłodzący dyszy rakietowej
-
Struktura transmisji radarowej o wysokiej odporności na ciepło
-
Topologicznie zoptymalizowane komponenty redukujące masę i poprawiające wydajność
Technologia reaktorowa
3D Print SiC łączy drukowanie strumieniowe spoiwa z CVI w celu ograniczenia cząstek paliwa TRISO i jest stosowany jako matryca paliwowa dla reaktorów transformacyjnych. Ta aplikacja wykazuje doskonałą odporność na napromieniowanie neutronowe do 2,3 dpa bez pogorszenia wytrzymałości.
Zastosowania elektroniki dużej mocy
Drukowana w 3D przewodząca ceramika SiC umożliwia zastosowanie w elektrodach konstrukcyjnych i elementach elektrycznych wymagających wydajnego rozpraszania ciepła. Materiały te utrzymują niezawodność elektryczną powyżej 600 °C ze względu na szerokie pasmo przenoszenia.
Produkcja półprzewodników
Odporność na zużycie, czystość i właściwości termiczne sprawiają, że węglik krzemu jest dobrym półprzewodnikiem. ceramika półprzewodnikowa W przemyśle, urządzenia do obróbki płytek półprzewodnikowych wykorzystują komponenty SiC. Węglik 3D Komponenty takie jak węglik krzemu zapewniają dostosowane rozwiązania, takie jak:
-
Nosiciel opłatków i łódka
-
Części dyfuzji gazu
-
Części odporne na plazmę
-
Niestandardowy uchwyt do obróbki płytek krzemowych
Rewolucja w odlewnictwie inwestycyjnym
Forma SiC ma mniejszą masę cieplną i wyższą przewodność cieplną niż materiały konwencjonalne, co zmniejsza obróbkę końcową, poprawia wykończenie powierzchni i zwiększa wydajność odlewania. Poprawia to upakowanie przestrzeni w piecu o ograniczonej objętości.
Przemysł motoryzacyjny
Wysokowydajne tarcze hamulcowe i części sprzęgła samochodowego o zwiększonej trwałości do zastosowań w zarządzaniu temperaturą.
Pole Energetyczne
-
Części do energii słonecznej
-
Obudowa paliwa jądrowego
-
Wymiennik ciepła wysokotemperaturowy
-
Części turbin do wytwarzania energii
Przetwarzanie chemiczne
-
Zawory i pompy odporne na korozję
-
Niestandardowy kontener reakcji
-
Nośnik katalizatora o złożonych kształtach wewnętrznych
-
Wymiennik ciepła do trudnych warunków środowiskowych
-
Mieszalniki statyczne o cechach wewnętrznych niemożliwych do uzyskania metodami konwencjonalnymi
Wniosek o obronę
Odzież ochronna o twardości 9,5 w skali Mohsa zapewnia niezrównaną ochronę przed tępymi atakami i wstrząsami balistycznymi. Elastyczność kombinowanego wyrzucania umożliwia ochronę dopasowaną do indywidualnych potrzeb bez pleśni.
Rozważania dotyczące kosztów i Zwrot z inwestycji
Koszty i zwrot z inwestycji w druk 3D z węglika krzemu zależą od kilku czynników.
Wielkość produkcji: W przypadku produkcji na małą skalę skomplikowanych części koszt druku 3D jest często niższy. Podczas gdy tradycyjna metoda produkcji jest droga, ponieważ wykorzystuje drogie formy. Natomiast w przypadku produkcji masowej konwencjonalne techniki mogą być bardziej opłacalne.
Złożoność projektu: Rzeczywista wartość wydruków SiC 3D wynika z produkcji złożonych projektów. Projekty te są w przeciwnym razie niemożliwe do wykonania przy użyciu tradycyjnych metod. Wartość złożonych kanałów chłodzących, struktur wewnętrznych i niestandardowych projektów uzasadnia koszt.
Wykorzystanie materiałów: Drukowanie 3D generalnie wykorzystuje materiały wydajniej niż metody produkcji oparte na cięciu. Jest to szczególnie ważne, biorąc pod uwagę wysoki koszt proszku SiC (zwykle 50-150 dolarów za kg, w zależności od gatunku i czystości).
Sterownik ROI
-
Wyeliminuj kosztowne narzędzia do skomplikowanych kształtów
-
Skróć czas realizacji z tygodni do dni
-
Niższy całkowity koszt posiadania podzespołów o wysokiej wydajności
-
Umożliwia masową personalizację dla specjalnych zastosowań
Przyszły kierunek
Pole Druk 3D węglika krzemu nadal rośnie:
Integracja procesów: Automatyzacja i integracja całego procesu produkcyjnego poprawia spójność i obniża koszty.
Monitorowanie w czasie rzeczywistym: Zaawansowana technologia monitorowania podczas drukowania umożliwia natychmiastową kontrolę jakości i zmianę procesu. Zmniejsza wady i poprawia spójność komponentów.
Nowe aplikacje:. W miarę rozwoju technologii pojawiają się nowe zastosowania. Obszary te wymagają dostosowanej ceramiki o wysokiej wydajności, szczególnie w trudnych warunkach.
Rozwiązania skalowalne: Wiodący producenci, tacy jak Saint-Gobain, wykorzystują zaawansowane systemy nanoszenia spoiwa metodą strumieniową do badań, opracowywania i skalowania zastosowań komercyjnych, od badań laboratoryjnych po produkcję na pełną skalę.
Ostatnie przemyślenia
Druk 3D z węglika krzemu umożliwia tworzenie złożonych, wysoko wydajnych komponentów. Te ceramika techniczna są przeznaczone do ekstremalnych środowisk. Pomimo wyzwań związanych z przetwarzaniem, ta technologia nadal się rozwija. SiC jest realną opcją w wymagających branżach, półprzewodnikach i zastosowaniach lotniczych.
Kontakt Ceramika GGS już dziś, aby przekształcić Twój skomplikowany projekt w rzeczywistość i stać się konkurencyjnym dzięki naszej zaawansowanej wiedzy z zakresu ceramiki.
Często zadawane pytania
Czy mogę drukować węglik krzemu?
Możemy drukować węglik krzemu za pomocą metod Binder Jetting, SLA, DIW lub FFF z filamentami SiC 67.6%. Pozwala nam to produkować komponenty o wysokiej wytrzymałości i wysokiej temperaturze do zaawansowanych zastosowań. Dostępne są również wersje przewodzące prąd elektryczny.
Jakie metody druku 3D wykorzystują materiały ceramiczne?
Binder jetting, stereolitografia (SLA), techniki bezpośredniego rysowania tuszem (DIT) i wytwarzanie metodą włókien topionych (FFF) to trzy główne techniki. Można ich używać do Ceramika drukowana w 3D takie jak węglik krzemu.
Jak działa druk 3D przy użyciu krzemu?
Wydruki 3D z silikonu wykorzystują SLA lub formowanie ekstruzyjne do tworzenia miękkich, elastycznych części. Jest to bardzo różne od stosowania węglika krzemu w twardych, mocnych częściach.
Do czego służy węglik krzemu w ceramice?
Węglik krzemu jest używany do produkcji części ceramicznych o doskonałej odporności na ciepło, zużycie i chemikalia. Jest powszechny w przemyśle lotniczym, półprzewodnikowym, systemach energetycznych, reaktorach jądrowych i spersonalizowanym sprzęcie ochronnym.
Jak powstaje ceramika z węglika krzemu?
Ceramika z węglika krzemu powstaje przez laminowanie proszku lub pasty SiC. Następnie jest spiekany lub penetrowany w celu zapewnienia wytrzymałości i trwałości. Zaawansowane metody obejmują integrację CVI i obróbkę pod ciśnieniem atmosferycznym w celu uzyskania doskonałej jakości.