Vai esat pamanījuši, cik aizvien populārāka kļūst 3D drukāšana? No mazu plastmasas rotaļlietu un konceptuālo modeļu izgatavošanas pirms dažiem gadiem, tagad tā spēj izdrukāt mājas, zobus un pat cilvēka orgānus! Tās attīstība ir kā raķete.
Taču, neskatoties uz popularitāti, ja 3D drukāšana patiešām vēlas ieņemt vadošo pozīciju rūpnieciskajā ražošanā, tā nevar paļauties tikai uz “mīkstajām persimonām”, piemēram, plastmasu un sveķiem. Tā ir piemērota demonstrācijas priekšmetu izgatavošanai, taču, runājot par augstas temperatūras detaļu, kas var izturēt ekstremālus vides apstākļus, vai augstas stiprības, nodilumizturīgu precīzijas ierīču izgatavošanu, daudzi materiāli nekavējoties kļūst nepiemēroti.
Šeit iesaistās mūsu šodienas raksta galvenais varonis —alumīnija oksīda pulveris, plašāk pazīstams kā “korunds”. Šis materiāls nav viegli pārspējams, jo tam piemīt īpašības: augsta cietība, izturība pret koroziju, izturība pret augstu temperatūru un lieliska izolācija. Tradicionālajās nozarēs tas jau ir veterāns ugunsizturīgo materiālu, abrazīvu, keramikas un citās jomās.
Tātad jautājums ir, kādas dzirksteles radīsies, kad tradicionāls, “izturīgs” materiāls sastapsies ar modernāko “digitālās intelektiskās ražošanas” tehnoloģiju? Atbilde ir: notiek klusa materiālu revolūcija.
Ⅰ. Kāpēc alumīnija oksīds? Kāpēc tas lauž veidni?
Vispirms apspriedīsim, kāpēc 3D drukāšana iepriekš nav devusi priekšroku keramikas materiāliem. Padomājiet par to: plastmasas vai metāla pulverus ir relatīvi viegli kontrolēt, ja tos saķepina vai ekstrudē, izmantojot lāzerus. Taču keramikas pulveri ir trausli un grūti kausējami. Lāzeru saķepināšanai un pēc tam formēšanai ir ļoti šaurs procesa logs, padarot tos pakļautus plaisāšanai un deformācijai, kā rezultātā raža ir ārkārtīgi zema.
Tātad, kā alumīnija oksīds atrisina šo problēmu? Tas nepaļaujas uz brutālu spēku, bet gan uz "atjautību".
Galvenais sasniegums ir 3D drukāšanas tehnoloģijas un materiālu formulējumu koordinēta attīstība. Pašreizējās galvenās tehnoloģijas, piemēram, saistvielu strūklas apstrāde un stereolitogrāfija, izmanto "līknes pieeju".
Saistvielas strūklošana: Šī ir diezgan gudra pieeja. Atšķirībā no tradicionālajām metodēm, kur alumīnija oksīda pulveris tiek tieši kausēts ar lāzeru, šī metode vispirms uzklāj plānu alumīnija oksīda pulvera slāni. Pēc tam, tāpat kā precīzs tintes printeris, drukas galviņa izsmidzina īpašu “līmi” uz vēlamās vietas, sasaistot pulveri kopā. Šī pulvera un līmes uzklāšana pa slānim galu galā rada provizorisku, veidotu “zaļo ķermeni”. Šis zaļais ķermenis vēl nav ciets, tāpēc, tāpat kā keramika, tas tiek pakļauts pēdējām “uguns kristībām” augstas temperatūras krāsnī — saķepināšanai. Tikai pēc saķepināšanas daļiņas patiesi stingri savienojas kopā, sasniedzot mehāniskās īpašības, kas tuvojas tradicionālās keramikas īpašībām.
Tas prasmīgi apiet keramikas tiešas kausēšanas izaicinājumus. Tas ir līdzīgi kā vispirms veidot detaļu ar 3D drukāšanu un pēc tam piešķirt tai dvēseli un spēku, izmantojot tradicionālās metodes.
II. Kur šis “izrāviens” patiesi izpaužas? Runas bez rīcības ir tikai tukšas runas.
Ja to sauc par izrāvienu, tad ir jābūt kādai īstai prasmei, vai ne? Patiešām, alumīnija oksīda pulvera attīstība 3D drukāšanā nenotiek vienkārši "no nulles", bet gan patiesi "no laba līdz izcilam", atrisinot daudzas iepriekš neatrisināmas problēmas.
Pirmkārt, tas novērš jēdzienu “sarežģītība” kā sinonīmu “dārdzībai”. Tradicionāli alumīnija oksīda keramikas, piemēram, sprauslu vai siltummaiņu ar sarežģītiem iekšējiem plūsmas kanāliem, apstrāde balstās uz veidņu veidošanu vai apstrādi, kas ir dārga, laikietilpīga un padara dažu struktūru izveidi neiespējamu. Taču tagad 3D drukāšana ļauj tieši, “bez veidnes” izveidot jebkuru sarežģītu struktūru, ko varat projektēt. Iedomājieties alumīnija oksīda keramikas komponentu ar iekšējo biomimetisku šūnveida struktūru, kas ir neticami viegla, bet ārkārtīgi izturīga. Kosmosa aviācijas un kosmosa rūpniecībā tas ir īsts “burvju ierocis” svara samazināšanai un veiktspējas uzlabošanai.
Otrkārt, tas panāk “perfektu funkcijas un formas integrāciju”. Dažām detaļām ir nepieciešamas gan sarežģītas ģeometrijas, gan specializētas funkcijas, piemēram, izturība pret augstu temperatūru, nodilumizturība un izolācija. Piemēram, pusvadītāju rūpniecībā izmantotajām keramikas savienojuma svirām ir jābūt vieglām, spējīgām ātri kustēties, kā arī absolūti antistatiskām un nodilumizturīgām. To, kas iepriekš bija jāsamontē vairākās detaļās, tagad var tieši 3D drukāt no alumīnija oksīda kā vienu integrētu komponentu, ievērojami uzlabojot uzticamību un veiktspēju.
Treškārt, tas ievada personalizētas pielāgošanas zelta laikmetu. Tas ir īpaši pārsteidzoši medicīnas jomā. Cilvēka kauli ir ļoti atšķirīgi, un iepriekšējiem mākslīgajiem kaulu implantiem bija fiksēti izmēri, piespiežot ārstus ar tiem iztikt operācijas laikā. Tagad, izmantojot pacienta datortomogrāfijas skenēšanas datus, ir iespējams tieši 3D drukāt porainu alumīnija oksīda keramikas implantu, kas lieliski atbilst pacienta morfoloģijai. Šī porainā struktūra ir ne tikai viegla, bet arī ļauj kaulu šūnām tajā ieaugt, panākot patiesu "osseointegrāciju" un padarot implantu par ķermeņa daļu. Šāda veida pielāgots medicīniskais risinājums iepriekš nebija iedomājams.
III. Nākotne ir klāt, bet izaicinājumu ir daudz.
Protams, mēs nevaram tikai runāt. Alumīnija pulvera pielietojums 3D drukāšanā joprojām ir kā augošs “brīnumbērns” ar milzīgu potenciālu, bet arī dažām pusaudža vecuma problēmām.
Izmaksas joprojām ir augstas: augstas tīrības pakāpes sfērisks alumīnija oksīda pulveris, kas piemērots 3D drukāšanai, pēc būtības ir dārgs. Pievienojiet tam vairāku miljonu dolāru vērto specializēto drukas aprīkojumu un sekojošā sintēšanas procesa enerģijas patēriņu, un alumīnija oksīda detaļas drukāšanas izmaksas joprojām ir augstas.
Augstas procesa barjeras: sākot ar suspensijas sagatavošanu un drukas parametru iestatīšanu līdz pēcapstrādes atdalīšanai un sintēšanas līknes kontrolei, katrs solis prasa padziļinātas zināšanas un tehnisko zināšanu apjomu. Viegli var rasties tādas problēmas kā plaisāšana, deformācija un nevienmērīga saraušanās.
Veiktspējas konsekvence: Liela mēroga lietojumprogrammās būtisks šķērslis ir nodrošināt konsekventus galvenos veiktspējas rādītājus, piemēram, izturību un blīvumu, katrā drukāto detaļu partijā.