Konwencjonalne techniki wytwarzania wyrobów z ceramiki inżynierskiej sprawdzają się w produkcji seryjnej niewielkich detali o prostej geometrii. Z kolei różne metody druku 3D pozwalają uzyskać detale bardziej złożone geometrycznie, lecz o rozmiarach również ograniczonych wymiarami przestrzeni roboczej drukarek.
Na potrzeby budowy reaktora chemicznego o mocy 2 kW do produkcji gazu syntezowego wymagane były komponenty ceramiczne o złożoności geometrycznej, nieosiągalnej konwencjonalnymi technikami spiekania i prasowania, o rozmiarach przekraczających gabaryty dostępnych drukarek 3D. Musiały także spełnić wymagania odnośnie odporności termicznej i chemicznej, a także wysokiej szczelności, w celu niedopuszczenia do ulatniania się gazów procesowych – przede wszystkim wodoru. Do produkcji elementów reaktora wytypowano odpowiedni materiał – węglik krzemu i metodę druku 3D – binder jetting. Opracowano technologię fabrykacji, obejmującą druk podzielonych na segmenty podzespołów reaktora, a następnie ich montaż i postprocessing.
W ramach binder jettingu surowiec ceramiczny w postaci proszku rozprowadzany jest warstwa po warstwie po łożu drukarki i selektywnie spajany lepiszczem. Po usunięciu luźnego proszku otrzymano segmenty, które następnie wygrzewano przez sześć godzin w temperaturze 190 °C, uzyskując gęstość 49%. W konstrukcji segmentów uwzględniono drobne detale, przypominające czopy i wczepy stosowane w stolarstwie, umożliwiające montaż segmentów w większą całość. Połączenia nasmarowano pastą, z polimerowym prekursorem ceramicznym i 20% zawartością węglika krzemu. Zmontowane elementy poddano dwukrotnie procesowi infiltracji polimerowej i pirolizy (PIP) w atmosferze gazu obojętnego, w temperaturze 900 °C, osiągając gęstość 74%. Następnie elementy przeszły dwukrotnie proces infiltracji z fazy gazowej CVI (chemical vapor infiltration) przy użyciu prekursora ceramicznego MTS (metylotrichlorosilan) i wodoru w celu osiągnięcia zagęszczenia materiału na poziomie 89% gęstości teoretycznej. Przeprowadzone testy w zakresie wytrzymałości mechanicznej i szczelności wykazały skuteczność przyjętej metodologii.
Prezentowane podejście technologiczne, zakładające druk 3D wyrobów podzielonych na segmenty, ich montaż, a następnie termiczno-chemiczną obróbkę wykończającą, może przydać się nie tylko w budowie reaktorów chemicznych, lecz wszędzie tam, gdzie stosuje się zaawansowane konstrukcje inżynierskie z ceramiki technicznej.
ornl.gov
