Alumina powder breakthrough sa 3D printing materials
Naglalakad sa laboratoryo ng Northwestern Polytechnical University, isang light-curing3D printer ay humuhuni nang bahagya, at ang laser beam ay tiyak na gumagalaw sa ceramic slurry. Pagkalipas lamang ng ilang oras, ganap na ipinakita ang isang ceramic core na may kumplikadong istraktura tulad ng isang maze - ito ay gagamitin upang ihagis ang mga turbine blades ng mga makina ng sasakyang panghimpapawid. Itinuro ni Propesor Su Haijun, na namamahala sa proyekto, ang maselang bahagi at sinabing: "Tatlong taon na ang nakalilipas, hindi kami nangahas na isipin ang tungkol sa gayong katumpakan. Ang pangunahing tagumpay ay nakatago sa hindi kapansin-pansing pulbos na alumina na ito."
Noong unang panahon, ang alumina ceramics ay parang "problem student" sa larangan ng3D printing– mataas na lakas, mataas na temperatura na paglaban, mahusay na pagkakabukod, ngunit sa sandaling ito ay nai-print, ito ay nagkaroon ng maraming mga problema. Sa ilalim ng tradisyonal na mga proseso, ang alumina powder ay may mahinang pagkalikido at kadalasang hinaharangan ang print head; ang rate ng pag-urong sa panahon ng sintering ay maaaring kasing taas ng 15%-20%, at ang mga bahagi na na-print nang may matinding pagsisikap ay mababago at pumutok sa sandaling masunog ang mga ito; kumplikadong istruktura? Lalong luho ito. Ang mga inhinyero ay nababagabag: "Ang bagay na ito ay parang isang matigas ang ulo na artista, na may mga ligaw na ideya ngunit hindi sapat ang mga kamay."
1. Russian formula: Paglalagay ng “ceramic armor” saaluminyomatris
Ang pagbabagong punto ay unang nagmula sa rebolusyon sa materyal na disenyo. Noong 2020, inihayag ng mga materyal na siyentipiko mula sa National University of Science and Technology (NUST MISIS) ng Russia ang isang nakakagambalang teknolohiya. Sa halip na simpleng paghaluin ang aluminum oxide powder, inilagay nila ang high-purity aluminum powder sa isang autoclave at gumamit ng hydrothermal oxidation upang "palaguin" ang isang layer ng aluminum oxide film na may tiyak na nakokontrol na kapal sa ibabaw ng bawat aluminum particle, tulad ng paglalagay ng layer ng nano-level armor sa aluminum ball. Ang "core-shell structure" na powder na ito ay nagpapakita ng kamangha-manghang pagganap sa panahon ng laser 3D printing (SLM technology): ang tigas ay 40% na mas mataas kaysa sa purong aluminum na materyales, at ang mataas na temperatura na katatagan ay lubos na napabuti, na direktang nakakatugon sa mga kinakailangan sa antas ng aviation.
Si Propesor Alexander Gromov, ang pinuno ng proyekto, ay gumawa ng isang malinaw na pagkakatulad: "Noong nakaraan, ang mga pinagsama-samang materyales ay parang mga salad - bawat isa ay namamahala sa sarili nitong negosyo; ang aming mga pulbos ay tulad ng mga sandwich - ang aluminyo at alumina ay kumagat sa bawat isa sa bawat layer, at hindi magagawa kung wala ang isa." Ang malakas na pagkabit na ito ay nagpapahintulot sa materyal na ipakita ang kahusayan nito sa mga bahagi ng makina ng sasakyang panghimpapawid at mga ultra-light na frame ng katawan, at kahit na nagsisimulang hamunin ang teritoryo ng mga titanium alloy.
2. Chinese na karunungan: ang magic ng "setting" ceramics
Ang pinakamalaking sakit na punto ng alumina ceramic printing ay sintering shrinkage - isipin na maingat mong minasa ang isang clay figure, at lumiit ito sa laki ng patatas sa sandaling pumasok ito sa oven. Magkano kaya ito babagsak? Noong unang bahagi ng 2024, ang mga resulta na inilathala ng koponan ni Propesor Su Haijun sa Northwestern Polytechnical University sa Journal of Materials Science & Technology ay nagpasimula sa industriya: nakakuha sila ng halos zero-shrinkage alumina ceramic core na may rate ng pag-urong na 0.3% lang.
Ang sikreto ay magdagdagaluminyo pulbossa alumina at pagkatapos ay i-play ang isang tiyak na "atmosphere magic".
Magdagdag ng aluminum powder: Paghaluin ang 15% ng pinong aluminum powder sa ceramic slurry
Kontrolin ang kapaligiran: Gumamit ng proteksyon ng argon gas sa simula ng sintering upang maiwasan ang pag-oxidize ng aluminum powder
Smart switching: Kapag tumaas ang temperatura sa 1400°C, biglang ilipat ang atmosphere sa hangin
In-situ na oksihenasyon: Ang aluminyo pulbos ay agad na natutunaw sa mga droplet at nag-oxidize sa aluminum oxide, at ang pagpapalawak ng volume ay binabawasan ang pag-urong
3. Binder revolution: ang aluminum powder ay nagiging "invisible glue"
Habang ang mga Russian at Chinese na koponan ay nagsusumikap sa pagbabago ng pulbos, isa pang teknikal na ruta ang tahimik na nag-mature - gamit ang aluminum powder bilang isang binder. Tradisyunal na seramik3D printingAng mga binder ay kadalasang mga organikong resin, na mag-iiwan ng mga cavity kapag nasunog sa panahon ng degreasing. Ang 2023 na patent ng domestic team ay gumagamit ng ibang diskarte: paggawa ng aluminum powder bilang isang water-based na binder47.
Sa panahon ng pag-print, ang nozzle ay tumpak na nag-spray ng "glue" na naglalaman ng 50-70% aluminum powder sa aluminum oxide powder layer. Pagdating sa yugto ng degreasing, ang vacuum ay iginuhit at ang oxygen ay dumaan, at ang aluminum powder ay na-oxidize sa aluminum oxide sa 200-800°C. Ang katangian ng pagpapalawak ng dami ng higit sa 20% ay nagbibigay-daan sa aktibong punan ang mga pores at bawasan ang rate ng pag-urong sa mas mababa sa 5%. "Ito ay katumbas ng pagtatanggal ng plantsa at pagtatayo ng bagong pader sa parehong oras, pagpuno ng iyong sariling mga butas!" inilarawan ito ng isang inhinyero sa ganitong paraan.
4. Ang sining ng mga particle: ang tagumpay ng spherical powder
Ang "hitsura" ng alumina powder ay hindi inaasahang naging susi sa mga pambihirang tagumpay - ang hitsura na ito ay tumutukoy sa hugis ng butil. Ang isang pag-aaral sa journal na "Open Ceramics" noong 2024 ay inihambing ang pagganap ng mga spherical at irregular na alumina powder sa fused deposition (CF³) na pag-print5:
Spherical powder: umaagos tulad ng pinong buhangin, ang rate ng pagpuno ay lumampas sa 60%, at ang pag-print ay makinis at malasutla
Hindi regular na pulbos: natigil tulad ng magaspang na asukal, ang lagkit ay 40 beses na mas mataas, at ang nozzle ay naharang upang pagdudahan ang buhay
Kahit na mas mabuti, ang density ng mga bahagi na naka-print sa pamamagitan ng spherical powder ay madaling lumampas sa 89% pagkatapos ng sintering, at ang surface finish ay direktang nakakatugon sa pamantayan. "Sino pa rin ang gumagamit ng "pangit" na pulbos ngayon? Ang pagka-fluid ay ang pagiging epektibo ng labanan!" Napangiti ang isang technician at nagtapos5.
Kinabukasan: Ang mga bituin at dagat ay magkakasamang nabubuhay sa maliit at maganda
Hindi pa tapos ang 3D printing revolution ng alumina powder. Ang industriya ng militar ay nanguna sa paglalapat ng malapit sa zero na pag-urong na mga core sa paggawa ng turbofan blades; ang biomedical field ay nagkaroon ng isang magarbong sa kanyang biocompatibility at nagsimulang mag-print ng customized bone implants; ang industriya ng electronics ay nag-target ng mga substrate sa pagwawaldas ng init - pagkatapos ng lahat, ang thermal conductivity at non-electrical conductivity ng alumina ay hindi mapapalitan.