Пробив во прав од алуминиум во материјалите за 3D печатење
Влегувајќи во лабораторијата на Северозападниот Политехнички универзитет, светлосно полимеризирачки3Д печатач малку зуи, а ласерскиот зрак се движи прецизно во керамичката кашеста маса. Само неколку часа подоцна, целосно е претставено керамичко јадро со сложена структура како лавиринт - ќе се користи за леење на турбинските лопатки на авионските мотори. Професорот Су Хаиџун, кој е задолжен за проектот, посочи на деликатната компонента и рече: „Пред три години, не се осмеливме ниту да помислиме на таква прецизност. Клучниот пробив е скриен во овој незабележлив прав од алумина.“
Некогаш, керамиката од алумина беше како „проблематичен студент“ во областа на3D печатење– висока цврстина, отпорност на високи температури, добра изолација, но откако беше испечатен, имаше многу проблеми. При традиционалните процеси, правот од алумина има слаба флуидност и често ја блокира главата за печатење; стапката на собирање за време на синтерувањето може да биде висока од 15%-20%, а деловите што се испечатени со голем напор ќе се деформираат и ќе пукнат штом ќе изгорат; сложени структури? Тоа е уште поголем луксуз. Инженерите се загрижени: „Ова нешто е како тврдоглав уметник, со диви идеи, но без доволно раце.“
1. Руска формула: Ставање „керамички оклоп“ наалуминиумматрица
Пресвртот првпат дојде од револуцијата во дизајнот на материјали. Во 2020 година, научниците за материјали од Националниот универзитет за наука и технологија (NUST MISIS) на Русија објавија револуционерна технологија. Наместо едноставно мешање на прав од алуминиум оксид, тие ставија прав од алуминиум со висока чистота во автоклав и користеа хидротермална оксидација за да „одгледаат“ слој од филм од алуминиум оксид со прецизно контролирана дебелина на површината на секоја честичка од алуминиум, исто како да се стави слој од оклоп на нано ниво на алуминиумската топка. Овој прав со „структура на јадро-обвивка“ покажува неверојатни перформанси за време на ласерското 3D печатење (SLM технологија): тврдоста е 40% повисока од онаа на чистите алуминиумски материјали, а стабилноста на високи температури е значително подобрена, директно исполнувајќи ги барањата за авијациско ниво.
Професорот Александар Громов, раководител на проектот, направи живописна аналогија: „Во минатото, композитните материјали беа како салати - секој беше задолжен за својата работа; нашите прашоци се како сендвичи - алуминиумот и алумина се гризат еден со друг слој по слој, и ниту еден не може без другиот.“ Ова силно спојување му овозможува на материјалот да ја покаже својата моќ во деловите од авионските мотори и ултралесните рамки на каросеријата, па дури и почнува да ја предизвикува територијата на титаниумските легури.
2. Кинеска мудрост: магијата на „поставувањето“ на керамиката
Најголемата маана на печатењето од алуминиумска керамика е синтерувањето со смалување – замислете дека внимателно сте измешале глинена фигура и дека таа се смалува на големина на компир штом ќе влезе во рерна. Колку би се срушила? На почетокот на 2024 година, резултатите објавени од тимот на професорот Су Хаиџун на Северозападниот политехнички универзитет во Journal of Materials Science & Technology ја разгореа индустријата: тие добија јадро од алуминиумска керамика со речиси нула смалување и стапка на смалување од само 0,3%.
Тајната е да се додадеалуминиумски правна алумина, а потоа свири прецизна „атмосферска магија“.
Додајте алуминиумски прав: Измешајте 15% фин алуминиумски прав во керамичката кашеста маса
Контролирајте ја атмосферата: Користете заштита од аргонски гас на почетокот на синтерувањето за да спречите оксидација на алуминиумскиот прав.
Паметно префрлување: Кога температурата ќе се искачи на 1400°C, одеднаш префрлете ја атмосферата на воздух
Оксидација на самото место: Алуминиумскиот прав веднаш се топи во капки и оксидира до алуминиум оксид, а проширувањето на волуменот го неутрализира контракцијата.
3. Револуција на врзивните материјали: алуминиумскиот прав се претвора во „невидливо лепило“
Додека руските и кинеските тимови напорно работат на модификација на прав, уште еден технички пат полека созрева - користење на алуминиумски прав како врзивно средство. Традиционална керамика3D печатењеВрзните средства се претежно органски смоли, кои ќе остават шуплини кога ќе согорат за време на одмастувањето. Патентот на еден домашен тим од 2023 година користи поинаков пристап: претворање на алуминиумски прав во врзивно средство на база на вода47.
За време на печатењето, млазницата прецизно прска „лепак“ што содржи 50-70% алуминиумски прав врз слојот од алуминиум оксид во прав. Кога станува збор за фазата на одмастување, се влече вакуум и се пропушта кислород, а алуминиумскиот прав се оксидира до алуминиум оксид на 200-800°C. Карактеристиката на волуменска експанзија од повеќе од 20% му овозможува активно да ги пополни порите и да ја намали стапката на собирање на помалку од 5%. „Тоа е еквивалентно на расклопување на скелето и истовремено изградба на нов ѕид, пополнувајќи ги сопствените дупки!“, го опиша еден инженер на следниов начин.
4. Уметноста на честичките: победата на сферичниот прав
„Изгледот“ на правот од алумина неочекувано стана клучен за откритија - овој изглед се однесува на обликот на честичките. Студија во списанието „Open Ceramics“ во 2024 година ги спореди перформансите на сферичните и неправилните прав од алумина при печатење со фузирано депонирање (CF³)5:
Сферичен прав: тече како фин песок, стапката на полнење надминува 60%, а печатењето е мазно и свиленкасто
Неправилен прав: залепен како груб шеќер, вискозитетот е 40 пати поголем, а млазницата е блокирана за да се сомнева во животниот век.
Уште подобро, густината на деловите печатени со сферичен прав лесно надминува 89% по синтерувањето, а завршната обработка на површината директно ги исполнува стандардите. „Кој сè уште користи „грд“ прав сега? Флуидноста е борбена ефикасност!“ Еден техничар се насмевна и заклучи5.
Иднина: Ѕвездите и морињата коегзистираат со малите и убавите
Револуцијата во 3D печатењето на алуминиум во прав е далеку од завршена. Воената индустрија ја презеде водечката улога во примената на јадра со речиси нула собирање за производство на турбовентилаторни лопатки; биомедицинската област се заинтересира за нејзината биокомпатибилност и почна да печати коскени импланти по нарачка; електронската индустрија ги таргетираше подлогите за дисипација на топлина - на крајот на краиштата, топлинската спроводливост и неелектричната спроводливост на алуминиумот се незаменливи.