Proboj aluminijumskog praha u materijalima za 3D printanje
Ulazak u laboratoriju Politehničkog univerziteta Sjeverozapadnog Zapada, laboratoriju za svjetlosno polimeriziranje3D štampač lagano zuji, a laserski snop se precizno kreće u keramičkoj suspenziji. Samo nekoliko sati kasnije, keramička jezgra sa složenom strukturom poput lavirinta je u potpunosti predstavljena – koristit će se za livenje lopatica turbina avionskih motora. Profesor Su Haijun, koji je zadužen za projekat, pokazao je na delikatnu komponentu i rekao: „Prije tri godine nismo se usudili ni pomisliti na takvu preciznost. Ključni proboj krije se u ovom neupadljivom prahu aluminijevog oksida.“
Nekada davno, aluminijska keramika je bila poput "problematičnih učenika" u oblasti3D printanje– visoka čvrstoća, otpornost na visoke temperature, dobra izolacija, ali nakon štampanja, imao je mnogo problema. Kod tradicionalnih procesa, aluminijum prah ima slabu fluidnost i često blokira glavu za štampanje; stopa skupljanja tokom sinterovanja može biti i do 15%-20%, a dijelovi koji su štampani uz veliki napor će se deformisati i pucati čim se sagore; složene strukture? To je još veći luksuz. Inženjeri su zabrinuti: „Ova stvar je kao tvrdoglavi umjetnik, sa divljim idejama, ali bez dovoljno ruku.“
1. Ruska formula: Stavljanje "keramičkog oklopa" naaluminijmatrica
Prekretnica je prvo došla iz revolucije u dizajnu materijala. 2020. godine, naučnici za materijale sa Nacionalnog univerziteta za nauku i tehnologiju (NUST MISIS) Rusije najavili su revolucionarnu tehnologiju. Umjesto jednostavnog miješanja praha aluminijum oksida, stavili su prah aluminijum visoke čistoće u autoklav i koristili hidrotermalnu oksidaciju kako bi "uzgojili" sloj filma aluminijum oksida sa precizno kontrolisanom debljinom na površini svake čestice aluminijuma, baš kao što se na aluminijumsku kuglu stavlja sloj nano-nivoa oklopa. Ovaj prah sa "strukturom jezgra-ljuska" pokazuje nevjerovatne performanse tokom laserskog 3D štampanja (SLM tehnologija): tvrdoća je 40% veća od tvrdoće čistih aluminijumskih materijala, a stabilnost na visokim temperaturama je znatno poboljšana, što direktno ispunjava zahtjeve avijacije.
Profesor Aleksandar Gromov, vođa projekta, napravio je živopisnu analogiju: „U prošlosti su kompozitni materijali bili poput salata – svaki je bio zadužen za svoj posao; naši prahovi su poput sendviča – aluminij i glinica se međusobno preklapaju sloj po sloj, i nijedan ne može bez drugog.“ Ova jaka sprega omogućava materijalu da pokaže svoju snagu u dijelovima motora aviona i ultra-laganim okvirima karoserije, pa čak i počinje da izaziva teritoriju titanijumskih legura.
2. Kineska mudrost: magija "postavljanja" keramike
Najveća bolna tačka štampanja na keramici od aluminijum oksida je skupljanje pri sinterovanju – zamislite da pažljivo mijesite glinenu figuru i da se ona smanji na veličinu krompira čim uđe u peć. Koliko bi se srušila? Početkom 2024. godine, rezultati koje je objavio tim profesora Su Haijuna na Politehničkom univerzitetu Northwestern u časopisu Journal of Materials Science & Technology izazvali su šok u industriji: dobili su keramičku jezgru od aluminijum oksida sa gotovo nultom stopom skupljanja od samo 0,3%.
Tajna je u dodavanjualuminijski prahdo aluminijevog oksida, a zatim odsvirati preciznu „atmosfersku magiju“.
Dodavanje aluminijskog praha: Umiješajte 15% finog aluminijskog praha u keramičku suspenziju
Kontrolirajte atmosferu: Koristite zaštitu argonom na početku sinterovanja kako biste spriječili oksidaciju aluminijskog praha.
Pametno prebacivanje: Kada temperatura poraste na 1400°C, naglo prebacite atmosferu na zrak
Oksidacija in situ: Aluminijski prah se trenutno topi u kapljice i oksidira u aluminijev oksid, a ekspanzija volumena kompenzira kontrakciju.
3. Revolucija veziva: aluminijumski prah se pretvara u „nevidljivo ljepilo“
Dok ruski i kineski timovi naporno rade na modifikaciji praha, još jedan tehnički put je tiho sazrio – korištenje aluminijskog praha kao veziva. Tradicionalna keramika3D printanjeVeziva su uglavnom organske smole, koje će ostaviti šupljine kada se sagore tokom odmašćivanja. Patent domaćeg tima iz 2023. godine koristi drugačiji pristup: pretvaranje aluminijumskog praha u vezivo na bazi vode47.
Tokom štampanja, mlaznica precizno prska „ljepilo“ koje sadrži 50-70% aluminijumskog praha na sloj aluminijum oksidnog praha. Kada dođe do faze odmašćivanja, usisava se vakuum i propušta kisik, a aluminijumski prah se oksidira u aluminijum oksid na 200-800°C. Karakteristika zapreminskog širenja od preko 20% omogućava mu aktivno popunjavanje pora i smanjenje stope skupljanja na manje od 5%. „To je ekvivalentno rastavljanju skele i istovremenoj izgradnji novog zida, popunjavajući vlastite rupe!“, tako je to opisao jedan inženjer.
4. Umjetnost čestica: pobjeda sfernog praha
„Izgled“ praha aluminijevog oksida neočekivano je postao ključ za otkrića – ovaj izgled se odnosi na oblik čestica. Studija u časopisu „Open Ceramics“ iz 2024. godine uporedila je performanse sfernih i nepravilnih prahova aluminijevog oksida u štampanju metodom taljenja taljenjem (CF³)5:
Sferni prah: teče poput finog pijeska, stopa punjenja prelazi 60%, a otisak je gladak i svilenkast
Nepravilan prah: zalijepljen poput krupnog šećera, viskoznost je 40 puta veća, a mlaznica je blokirana da bi se sumnjalo u vijek trajanja
Štaviše, gustina dijelova odštampanih sfernim prahom lako prelazi 89% nakon sinterovanja, a završna obrada površine direktno ispunjava standard. „Ko još uvijek koristi „ružni“ prah? Fluidnost je borbena efikasnost!“ Tehničar se nasmiješio i zaključio.
Budućnost: Zvijezde i mora koegzistiraju s malim i lijepim
Revolucija 3D printanja praha aluminijevog oksida daleko je od kraja. Vojna industrija preuzela je vodeću ulogu u primjeni jezgara s gotovo nultom skupljajućom površinom za proizvodnju lopatica turboventilatora; biomedicinsko područje je oduševljeno njegovom biokompatibilnošću i počelo je printati prilagođene koštane implantate; elektronička industrija se fokusirala na podloge za odvođenje topline – uostalom, toplinska provodljivost i neelektrična provodljivost aluminijevog oksida su nezamjenjive.