Alumīnija pulvera izrāviens 3D drukāšanas materiālos
Ieejot Ziemeļrietumu Politehniskās universitātes laboratorijā, gaismā cietējoša3D printeris viegli dūc, un lāzera stars precīzi pārvietojas keramikas suspensijā. Tikai dažas stundas vēlāk pilnībā tiek prezentēts keramikas kodols ar sarežģītu struktūru kā labirints – tas tiks izmantots lidmašīnu dzinēju turbīnu lāpstiņu liešanai. Projekta vadītājs profesors Su Haidžuns norādīja uz delikāto detaļu un teica: “Pirms trim gadiem mēs pat neuzdrošinājāmies domāt par tādu precizitāti. Galvenais izrāviens slēpjas šajā neuzkrītošajā alumīnija oksīda pulverī.”
Kādreiz alumīnija oksīda keramika bija kā “problemātisks students” šajā jomā3D drukāšana– augsta izturība, izturība pret augstām temperatūrām, laba izolācija, taču pēc drukāšanas radās daudz problēmu. Tradicionālajās metodēs alumīnija oksīda pulverim ir slikta plūstamība un tas bieži vien bloķē drukas galviņu; saraušanās ātrums sintēšanas laikā var sasniegt pat 15–20%, un detaļas, kas tika drukātas ar lielu piepūli, deformējas un saplaisā, tiklīdz tās tiek apdedzinātas; sarežģītas struktūras? Tā ir vēl lielāka greznība. Inženieri ir satraukti: “Šī lieta ir kā spītīgs mākslinieks ar mežonīgām idejām, bet nepietiekami daudz rokām.”
1. Krievu formula: “Keramikas bruņu” uzlikšanaalumīnijsmatrica
Pagrieziena punkts sākotnēji bija saistīts ar materiālu dizaina revolūciju. 2020. gadā Krievijas Nacionālās zinātnes un tehnoloģiju universitātes (NUST MISIS) materiālzinātnieki paziņoja par revolucionāru tehnoloģiju. Tā vietā, lai vienkārši sajauktu alumīnija oksīda pulveri, viņi ievietoja augstas tīrības pakāpes alumīnija pulveri autoklāvā un izmantoja hidrotermālo oksidāciju, lai uz katras alumīnija daļiņas virsmas "izaudzētu" alumīnija oksīda plēves slāni ar precīzi kontrolējamu biezumu, līdzīgi kā uz alumīnija lodītes uzklājot nanolīmeņa bruņas slāni. Šis "kodola-apvalka struktūras" pulveris uzrāda pārsteidzošu veiktspēju lāzera 3D drukāšanas laikā (SLM tehnoloģija): cietība ir par 40% augstāka nekā tīra alumīnija materiāliem, un augstās temperatūras stabilitāte ir ievērojami uzlabota, tieši atbilstot aviācijas līmeņa prasībām.
Projekta vadītājs profesors Aleksandrs Gromovs minēja spilgtu analoģiju: “Agrāk kompozītmateriāli bija kā salāti – katrs no tiem pārvaldīja savu biznesu; mūsu pulveris ir kā sviestmaizes – alumīnijs un alumīnija oksīds viens otru kož slāni pa slānim, un neviens nevar iztikt bez otra.” Šī spēcīgā saikne ļauj materiālam parādīt savu meistarību lidmašīnu dzinēju detaļās un īpaši vieglos virsbūvju rāmjos un pat sāk izaicināt titāna sakausējumu teritoriju.
2. Ķīniešu gudrība: keramikas “iesaldēšanas” maģija
Lielākā alumīnija oksīda keramikas apdrukas problēma ir saraušanās sintēzes laikā — iedomājieties, ka jūs rūpīgi mīcāt māla figūru, un tā, tiklīdz nonāk krāsnī, saruka līdz kartupeļa lielumam. Cik ļoti tā sabruktu? 2024. gada sākumā profesora Su Haidžūna komandas Ziemeļrietumu Politehniskajā universitātē publicētie rezultāti žurnālā “Materiālzinātnes un tehnoloģijas žurnāls” izraisīja satricinājumu nozarē: viņi ieguva gandrīz nulles saraušanās alumīnija oksīda keramikas kodolu ar saraušanās ātrumu tikai 0,3 %.
Noslēpums ir pievienotalumīnija pulverisuz alumīnija oksīdu un pēc tam izspēlēt precīzu “atmosfēras maģiju”.
Pievienojiet alumīnija pulveri: Keramikas suspensijā sajauciet 15% smalka alumīnija pulvera
Kontrolējiet atmosfēru: Izmantojiet argona gāzes aizsardzību sintēšanas sākumā, lai novērstu alumīnija pulvera oksidēšanos.
Viedā pārslēgšana: kad temperatūra paaugstinās līdz 1400 °C, pēkšņi pārslēdziet atmosfēru uz gaisu
Oksidēšanās in situ: alumīnija pulveris acumirklī izkūst pilienos un oksidējas līdz alumīnija oksīdam, un tilpuma izplešanās kompensē saraušanos.
3. Saistvielu revolūcija: alumīnija pulveris pārvēršas par “neredzamu līmi”
Kamēr Krievijas un Ķīnas komandas cītīgi strādā pie pulvera modifikācijas, klusi ir nobriedusi vēl viena tehniska iespēja – alumīnija pulvera izmantošana kā saistviela. Tradicionālā keramika3D drukāšanaSaistvielas pārsvarā ir organiskie sveķi, kas attaukošanas laikā sadegot atstās dobumus. Vietējās komandas 2023. gada patentā tiek izmantota cita pieeja: alumīnija pulvera pārveidošana par saistvielu uz ūdens bāzes47.
Drukāšanas laikā sprausla precīzi izsmidzina “līmi”, kas satur 50–70 % alumīnija pulvera, uz alumīnija oksīda pulvera slāņa. Attaukošanas posmā tiek iesūkts vakuums un caur to tiek izvadīts skābeklis, un alumīnija pulveris 200–800 °C temperatūrā oksidējas par alumīnija oksīdu. Tilpuma izplešanās īpašība, kas pārsniedz 20 %, ļauj tam aktīvi aizpildīt poras un samazināt saraušanās ātrumu līdz mazāk nekā 5 %. “Tas ir līdzvērtīgi sastatņu demontāžai un jaunas sienas būvniecībai vienlaikus, aizpildot savus caurumus!” kāds inženieris to aprakstīja šādi.
4. Daļiņu māksla: sfēriska pulvera uzvara
Alumīnija oksīda pulvera “izskats” negaidīti ir kļuvis par galveno atklājumu faktoru – šis izskats attiecas uz daļiņu formu. 2024. gadā žurnālā “Open Ceramics” publicētā pētījumā tika salīdzināta sfērisku un neregulāru alumīnija oksīda pulveru veiktspēja kausētās nogulsnēšanas (CF³) drukā5:
Sfērisks pulveris: plūst kā smalkas smiltis, pildījuma ātrums pārsniedz 60%, un druka ir gluda un zīdaina
Neregulārs pulveris: iestrēdzis kā rupjais cukurs, viskozitāte ir 40 reizes lielāka, un sprausla ir bloķēta, lai apšaubītu dzīvību
Vēl labāk, ar sfērisku pulveri apdrukāto detaļu blīvums pēc saķepināšanas viegli pārsniedz 89%, un virsmas apdare tieši atbilst standartam. "Kurš vēl tagad izmanto "neglītu" pulveri? Plūstamība ir kaujas efektivitāte!" Tehniķis pasmaidīja un secināja.
Nākotne: zvaigznes un jūras pastāv līdzās maziem un skaistiem
Alumīnija oksīda pulvera 3D drukāšanas revolūcija nebūt nav beigusies. Militārā rūpniecība ir uzņēmusies vadošo lomu gandrīz nulles saraušanās serdeņu izmantošanā turbopropulatoru lāpstiņu ražošanā; biomedicīnas nozare ir pievērsusi uzmanību tā bioloģiskajai saderībai un sākusi drukāt pielāgotus kaulu implantus; elektronikas rūpniecība ir koncentrējusies uz siltuma izkliedes substrātiem – galu galā alumīnija oksīda siltumvadītspēja un neelektriskā vadītspēja ir neaizstājama.