Разработка технологии получения композиционных материалов на основе керамики и изделий методом аддитивного производства

Аддитивное производство – это быстро растущий рынок, технологии которого приобретают все большее значение в рамках перехода к передовому промышленному производству (Индустрии 4.0). Долгое время основное внимание уделялось 3D-печати металлических и полимерных материалов, но растет интерес к более сложным областям применения и новым типам материалов, так называемые «современные» или «передовые» материалы (advanced materials). На сегодняшний день выделяют 5 типов современных материалов, два из которых рассматриваются в данном проекте, это техническая керамика и композиционные материалы, в частности, полимерные керамические материалы. На сегодняшний день 3D-печать керамическими материалами является одним из наиболее быстро растущих сегментов не только в индустрии 3D-печати, но и в керамической отрасли в целом. Так на основе анализа компании SmarTech 2020 года, общий промышленный сектор для 3D-печати керамическими материалами (не включая биомедицинские материалы) вырастет к 2030 году до 3,1 миллиардов долларов годового дохода. В последние десятилетия для производства изделий из керамических материалов используются традиционные методы изготовления, такие как шликерное, ленточное, гелевое литье, прямое коагуляционное литье. Стоит отметить, что данные традиционные методы обработки на стадии формовки порошков керамики приводят к ограничениям с точки зрения изготовления деталей со сложными пространственными формами и взаимосвязанными отверстиями, длительности процесса подготовки и его высокой стоимости. Применение технологий 3D-печати открывает возможности создания новых керамических композиционных материалов, а также новых конструкций деталей со сложными пространственными формами, которые трудно или невозможно реализовать с использованием традиционных методом обработки. В рамках выполняемого проекта планируется использование наиболее изученной технологии 3D-печати (FDM-технологии) для формообразования конструкций будущих деталей. Данная технология печати относится к категории процессов, основанных на экструзии материала, где исходное сырье, в виде филамента, выборочно подаётся через сопло и наносится послойно на платформу построения. По сравнению с другими технологиями аддитивного производства керамики FDM-технология имеет низкую стоимость подготовки, высокое качество поверхности изготавливаемых деталей и высокую эффективность печати, а массовое производство достаточно легко реализуемо. Выполнение представленного проекта планируется начать с разработки технологии получения прекерамического филамента, пригодного для реализации процесса FDM печати. Далее разработанный прекерамический филамент будет использован для разработки технологии получения полимерного керамического композиционного материала (ПККМ). Одним из возможных вариантов применения полученного ПККМ является использование в качестве мягких подложек микроволнового материала для изготовления антенных устройств. Далее разработанный прекерамический филамент, помимо получения ПККМ, будет использован для разработки технологии получения керамического материала (КМ), включающей отработку этапов выжигания связующего с последующим высокотемпературным спеканием керамики. Одним из возможных вариантов применения полученного КМ является использование в качестве термостойкого керамического материала для элементов радиотехнической аппаратуры авиационной и ракетно-космической техники. Научная и технологическая новизна исследований представленного проекта заключается:  в разработке новых подходов к получению сложнопрофильных деталей из композиционных материалов на основе керамики, позволяющих преодолеть трудности, связанные с получением изделий сложной геометрической формы;  в разработке научно-технических основ создания методики проектирования технологических процессов изготовления деталей из ПККМ и КМ, полученных с использованием FDM-технологии;  в получении новых знаний о физико-химических и физико-механических закономерностях формообразования деталей из ПККМ и КМ с использованием технологии FDM печати;  в создании новых технологических решений по реализации процесса формообразования сложнопрофильных деталей из ПККМ и КМ с использованием технологии FDM печати;  в установлении фундаментальных зависимостей и методов управления функциональными свойствами ПККМ и КМ, полученных с использованием технологии FDM печати.