Preboj aluminijevega prahu v materialih za 3D-tiskanje
Vhod v laboratorij Politehnične univerze Northwestern, laboratorij za svetlobno strjevanje3D-tiskalnik rahlo brni, laserski žarek pa se natančno premika v keramični brozgi. Le nekaj ur kasneje je v celoti predstavljeno keramično jedro s kompleksno strukturo, podobno labirintu – uporabljeno bo za ulivanje lopatic turbin letalskih motorjev. Profesor Su Haijun, ki je zadolžen za projekt, je pokazal na občutljivo komponento in dejal: »Pred tremi leti si nismo upali niti pomisliti na takšno natančnost. Ključni preboj se skriva v tem neopaznem prahu aluminijevega oksida.«
Nekoč je bila aluminijeva keramika kot "problematični študent" na področju3D-tiskanje– visoka trdnost, odpornost na visoke temperature, dobra izolacija, vendar je imel po tiskanju veliko težav. Pri tradicionalnih postopkih ima aluminijev prah slabo tekočnost in pogosto blokira tiskalno glavo; stopnja krčenja med sintranjem je lahko kar 15–20 %, deli, ki so bili natisnjeni z velikim trudom, pa se bodo deformirali in razpokali takoj, ko jih sežgejo; kompleksne strukture? To je še večji luksuz. Inženirji so zaskrbljeni: »Ta stvar je kot trmast umetnik, z divjimi idejami, a premalo rokami.«
1. Ruska formula: Nanašanje "keramičnega oklepa" naaluminijmatrika
Prelomnica je prišla z revolucijo v oblikovanju materialov. Leta 2020 so znanstveniki za materiale z Nacionalne univerze za znanost in tehnologijo (NUST MISIS) v Rusiji napovedali prelomno tehnologijo. Namesto preprostega mešanja aluminijevega oksida v prahu so visoko čist aluminijev prah dali v avtoklav in s hidrotermalno oksidacijo "vzgojili" plast aluminijevega oksidnega filma z natančno nadzorovano debelino na površini vsakega aluminijevega delca, podobno kot če bi na aluminijasto kroglo nanesli plast nanoplastnega oklepa. Ta prah s "strukturo jedra in lupine" kaže neverjetno zmogljivost med laserskim 3D-tiskanjem (SLM tehnologija): trdota je 40 % višja kot pri čistih aluminijevih materialih, stabilnost pri visokih temperaturah pa je močno izboljšana, kar neposredno izpolnjuje zahteve letalskega razreda.
Profesor Aleksander Gromov, vodja projekta, je podal živo analogijo: »V preteklosti so bili kompozitni materiali kot solate – vsak je imel svoje delo; naši praški so kot sendviči – aluminij in aluminijev oksid se plast za plastjo prepletata in nobeden ne more brez drugega.« Ta močna povezava omogoča materialu, da pokaže svojo moč v delih letalskih motorjev in ultralahkih okvirjih karoserij ter celo začne izzivati ozemlje titanovih zlitin.
2. Kitajska modrost: čarovnija »vstavljanja« keramike
Največja težava pri tiskanju na aluminijevo keramiko je krčenje zaradi sintranja – predstavljajte si, da bi previdno gnetili glineno figuro in se ta takoj, ko bi jo dali v pečico, skrčila na velikost krompirja. Koliko bi se zrušila? V začetku leta 2024 so rezultati, ki jih je ekipa profesorja Su Haijuna na Northwestern Polytechnical University objavila v reviji Journal of Materials Science & Technology, navdušili industrijo: dobili so keramično jedro iz aluminijevega oksida s skoraj ničelnim krčenjem in stopnjo krčenja le 0,3 %.
Skrivnost je v tem, da dodatealuminijev prahdo aluminijevega oksida in nato odigrajo natančno "atmosfersko magijo".
Dodajte aluminijev prah: V keramično zmes vmešajte 15 % finega aluminijevega prahu.
Nadzorujte atmosfero: Na začetku sintranja uporabite zaščito z argonom, da preprečite oksidacijo aluminijevega prahu.
Pametno preklapljanje: Ko temperatura naraste na 1400 °C, nenadoma preklopite atmosfero na zrak
Oksidacija na mestu: Aluminijev prah se takoj stopi v kapljice in oksidira v aluminijev oksid, prostorninska ekspanzija pa izravna krčenje.
3. Revolucija veziv: aluminijev prah se spremeni v "nevidno lepilo"
Medtem ko ruska in kitajska ekipa trdo delata na modifikaciji prahu, je tiho dozorela še ena tehnična pot – uporaba aluminijevega prahu kot veziva. Tradicionalna keramika3D-tiskanjeVeziva so večinoma organske smole, ki pri sežiganju med razmaščevanjem pustijo votline. Patent domače ekipe iz leta 2023 uporablja drugačen pristop: predelava aluminijevega prahu v vezivo na vodni osnovi47.
Med tiskanjem šoba natančno brizga »lepilo«, ki vsebuje 50–70 % aluminijevega prahu, na plast aluminijevega oksidnega prahu. V fazi razmaščevanja se ustvari vakuum in prepusti kisik, aluminijev prah pa se pri 200–800 °C oksidira v aluminijev oksid. Značilnost volumskega raztezanja za več kot 20 % omogoča aktivno zapolnitev por in zmanjšanje stopnje krčenja na manj kot 5 %. »To je enakovredno razstavljanju odra in hkratni gradnji novega zidu, pri čemer zapolnjujete lastne luknje!« je to takole opisal neki inženir.
4. Umetnost delcev: zmaga sferičnega prahu
»Videz« aluminijevega prahu je nepričakovano postal ključ do prebojev – ta videz se nanaša na obliko delcev. Študija v reviji »Open Ceramics« leta 2024 je primerjala delovanje sferičnih in nepravilnih aluminijevih prahov pri tiskanju s taljenim nanašanjem (CF³)5:
Sferični prah: teče kot fin pesek, stopnja polnjenja presega 60 %, tisk pa je gladek in svilnat
Nepravilen prah: zlepljen kot grobi sladkor, viskoznost je 40-krat večja, šoba pa je blokirana, da bi dvomila v življenjsko dobo
Še bolje, gostota delov, natisnjenih s sferičnim prahom, po sintranju zlahka preseže 89 %, površinska obdelava pa neposredno izpolnjuje standard. »Kdo še uporablja 'grdi' prah? Fluidnost je bojna učinkovitost!« se je nasmehnil tehnik in zaključil5.
Prihodnost: Zvezde in morja sobivajo z majhnim in lepim
Revolucija 3D-tiskanja z aluminijevim prahom še zdaleč ni končana. Vojaška industrija je prevzela vodilno vlogo pri uporabi jeder s skoraj ničelnim krčenjem za izdelavo lopatic turboventilatorjev; biomedicinsko področje je vzljubilo njegovo biokompatibilnost in začelo tiskati prilagojene kostne vsadke; elektronska industrija se je osredotočila na substrate za odvajanje toplote – navsezadnje sta toplotna prevodnost in neelektrična prevodnost aluminijevega oksida nenadomestljivi.