Pagsulong ng pulbos na alumina sa mga materyales sa pag-print ng 3D
Pagpasok sa laboratoryo ng Northwestern Polytechnical University, isang light-curing3D printer ay bahagyang umuugong, at ang sinag ng laser ay gumagalaw nang tumpak sa ceramic slurry. Pagkalipas lamang ng ilang oras, isang ceramic core na may masalimuot na istraktura tulad ng isang maze ang ganap na iniharap – gagamitin ito upang ihulma ang mga blade ng turbine 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 man lang namin naisip ang tungkol sa gayong katumpakan. Ang pangunahing tagumpay ay nakatago sa hindi kapansin-pansing alumina powder na ito."
Noong unang panahon, ang mga alumina ceramics ay parang isang "problemang estudyante" sa larangan ng3D printing– mataas na lakas, resistensya sa mataas na temperatura, mahusay na insulasyon, ngunit nang mailimbag na ito, marami itong problema. Sa ilalim ng tradisyonal na mga proseso, ang alumina powder ay may mahinang fluidity at kadalasang hinaharangan ang print head; ang shrinkage rate habang sinisintering ay maaaring umabot ng 15%-20%, at ang mga bahaging nailimbag nang may matinding pagsisikap ay mababago ang hugis at mababasag sa sandaling masunog ang mga ito; masalimuot na istruktura? Mas luho pa ito. Nababahala ang mga inhinyero: “Ang bagay na ito ay parang isang matigas ang ulong artista, na may mga ligaw na ideya ngunit walang sapat na mga kamay.”
1. Pormula ng Russia: Paglalagay ng "ceramic armor" saaluminyomatris
Ang unang punto ng pagbabago ay nagmula sa rebolusyon sa disenyo ng materyal. Noong 2020, inanunsyo ng mga siyentipiko ng materyal mula sa National University of Science and Technology (NUST MISIS) ng Russia ang isang disruptive na teknolohiya. Sa halip na basta paghaluin lamang ang aluminum oxide powder, naglagay sila ng 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 kontroladong kapal sa ibabaw ng bawat particle ng aluminum, tulad ng paglalagay ng isang layer ng nano-level armor sa aluminum ball. Ang "core-shell structure" powder na ito ay nagpapakita ng kamangha-manghang performance sa panahon ng laser 3D printing (SLM technology): ang katigasan ay 40% na mas mataas kaysa sa mga purong materyales na aluminum, at ang katatagan ng mataas na temperatura ay lubos na napabuti, na direktang nakakatugon sa mga kinakailangan sa aviation-grade.
Si Propesor Alexander Gromov, ang pinuno ng proyekto, ay nagbigay ng isang matingkad na pagkakatulad: “Noong nakaraan, ang mga materyales na pinagsama ay parang mga salad – bawat isa ay namamahala sa sarili nitong gawain; ang aming mga pulbos ay parang mga sandwich – ang aluminyo at alumina ay patong-patong na nagkakagat sa isa't isa, at hindi maaaring wala ang isa't isa.” Ang matibay na pagkakabit na ito ay nagbibigay-daan sa materyal na ipakita ang husay nito sa mga bahagi ng makina ng sasakyang panghimpapawid at mga ultra-light na frame ng katawan, at nagsisimula pa ngang hamunin ang teritoryo ng mga titanium alloy.
2. Karunungang Tsino: ang mahika ng "paglalagay" ng mga seramiko
Ang pinakamalaking problema sa pag-iimprenta gamit ang alumina ceramic ay ang sintering shrinkage – isipin mo na maingat mong minasa ang isang clay figure, at lumiit ito hanggang sa maging kasinglaki ng patatas pagkapasok nito sa oven. Gaano ito kalaki ang magiging bagsak nito? Noong unang bahagi ng 2024, ang mga resultang inilathala ng pangkat ni Propesor Su Haijun sa Northwestern Polytechnical University sa Journal of Materials Science & Technology ay nagpasimula sa industriya: nakakuha sila ng halos zero-shrinkage na alumina ceramic core na may shrinkage rate na 0.3% lamang.
Ang sikreto ay ang pagdaragdagpulbos na aluminyosa alumina at pagkatapos ay tumugtog ng isang tumpak na "mahika ng atmospera".
Magdagdag ng pulbos na aluminyo: Paghaluin ang 15% ng pinong pulbos na aluminyo sa ceramic slurry
Kontrolin ang atmospera: 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 atmospera sa hangin
Oksihenasyon sa mismong lugar: Ang pulbos ng aluminyo ay agad na natutunaw at nagiging mga patak at nag-o-oxidize upang maging aluminum oxide, at ang paglawak ng volume ay nakakabawi sa pagliit
3. Rebolusyon sa binder: ang pulbos ng aluminyo ay nagiging "hindi nakikitang pandikit"
Habang ang mga pangkat ng Russia at China ay nagsusumikap sa pagbabago ng pulbos, isa pang teknikal na ruta ang tahimik na umuunlad – gamit ang pulbos na aluminyo bilang pandikit. Tradisyonal na seramiko3D printingAng mga binder ay kadalasang mga organikong resin, na nag-iiwan ng mga butas kapag sinusunog habang nag-aalis ng grasa. Ang patente ng isang lokal na koponan noong 2023 ay gumagamit ng ibang pamamaraan: ang paggawa ng pulbos ng aluminyo bilang isang binder na nakabase sa tubig47.
Habang nagpi-print, tumpak na iniispray ng nozzle ang "pandikit" na naglalaman ng 50-70% na pulbos ng aluminyo sa patong ng pulbos ng aluminyo oksido. Pagdating sa yugto ng pag-aalis ng grasa, hinihila ang vacuum at pinadadaan ang oxygen, at ang pulbos ng aluminyo ay nao-oxidize sa aluminyo oksido sa 200-800°C. Ang katangian ng paglawak ng volume na higit sa 20% ay nagbibigay-daan dito upang aktibong punan ang mga pores at bawasan ang rate ng pag-urong sa mas mababa sa 5%. "Ito ay katumbas ng pagtanggal ng scaffolding at pagtatayo ng isang bagong pader nang sabay, pagpuno ng sarili mong mga butas!" inilarawan ito ng isang inhinyero sa ganitong paraan.
4. Ang sining ng mga partikulo: ang tagumpay ng spherical powder
Ang "hitsura" ng alumina powder ay hindi inaasahang naging susi sa mga tagumpay – ang hitsurang ito ay tumutukoy sa hugis ng particle. Isang pag-aaral sa journal na "Open Ceramics" noong 2024 ang nagkumpara sa pagganap ng spherical at irregular alumina powders sa fused deposition (CF³) printing5:
Spherical powder: dumadaloy na parang 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
Mas maganda pa rito, ang densidad ng mga bahaging inilimbag gamit ang 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 fluidity ay ang bisa ng labanan!” Ngumiti at nagtapos ang isang technician5.
Hinaharap: Ang mga bituin at dagat ay magkakasamang nabubuhay kasama ng maliliit at magaganda
Malayo pa sa tapos ang rebolusyon sa 3D printing ng alumina powder. Nanguna na ang industriya ng militar sa paglalapat ng halos zero shrinkage cores sa paggawa ng mga turbofan blades; binigyang-pansin na rin ng larangan ng biomedical ang biocompatibility nito at sinimulang mag-print ng mga customized bone implants; tinarget naman ng industriya ng electronics ang mga heat dissipation substrates – tutal, hindi naman mapapalitan ang thermal conductivity at non-electrical conductivity ng alumina.