Ste opazili, kako priljubljenost 3D-tiskanja narašča? Še pred nekaj leti je bilo mogoče izdelovati le majhne plastične igrače in konceptne modele, zdaj pa lahko tiskamo hiše, zobe in celo človeške organe! Razvoj je kot raketa.
Kljub svoji priljubljenosti pa se 3D-tiskanje, če resnično želi prevzeti vodilno vlogo v industrijski proizvodnji, ne more zanašati zgolj na "mehke materiale", kot sta plastika in smola. Za izdelavo demonstracijskih kosov je sicer primerno, ko pa gre za izdelavo visokotemperaturnih delov, ki prenesejo ekstremna okolja, ali visoko trdnih, proti obrabi odpornih natančnih naprav, mnogi materiali takoj postanejo neprimerni.
Tukaj nastopi naš protagonist današnjega članka –aluminijev prah, splošno znan kot »korund«. Ta material ni le preprost, saj ima že same po sebi trpežne lastnosti: visoko trdoto, odpornost proti koroziji, odpornost proti visokim temperaturam in odlično izolacijo. V tradicionalnih industrijah je že veteran v ognjevzdržnih materialih, abrazivih, keramiki in drugih področjih.
Vprašanje je torej, kakšne iskre se bodo pojavile, ko se bo tradicionalni, »trpežni« material srečal z najsodobnejšo tehnologijo »digitalne inteligentne proizvodnje«? Odgovor je: v teku je tiha revolucija materialov.
Ⅰ. Zakaj aluminijev oksid? Zakaj razbija kalup?
Najprej si poglejmo, zakaj 3D-tiskanje prej ni dajalo prednosti keramičnim materialom. Pomislite: plastični ali kovinski prah je relativno enostavno nadzorovati pri sintranju ali ekstrudiranju z laserji. Keramični prah pa je krhek in ga je težko taliti. Sintranje in nato oblikovanje z laserji ima zelo ozko procesno okno, zaradi česar je nagnjen k razpokanju in deformaciji, kar ima za posledico izjemno nizke donose.
Kako torej aluminijev oksid reši ta problem? Ne zanaša se na surovo silo, temveč na "iznajdljivost".
Osrednji preboj leži v usklajenem razvoju tehnologije 3D-tiskanja in formulacij materialov. Trenutne prevladujoče tehnologije, kot sta brizganje veziv in stereolitografija, uporabljajo »krivuljni pristop«.
Brizganje veziva: To je precej pametna poteza. Za razliko od tradicionalnih metod neposrednega taljenja prahu aluminijevega oksida z laserjem ta metoda najprej nanese tanko plast prahu aluminijevega oksida. Nato tiskalna glava, podobno kot natančen brizgalni tiskalnik, na želeno območje poprši posebno "lepilo", ki prašek poveže skupaj. Ta nanašanje prahu in lepila po plasteh na koncu ustvari predhodno oblikovano "zeleno telo". To zeleno telo še ni trdno, zato tako kot keramika prestane zadnji "ognjeni krst" v visokotemperaturni peči – sintranje. Šele po sintranju se delci resnično trdno povežejo in dosežejo mehanske lastnosti, ki se približujejo lastnostim tradicionalne keramike.
To spretno zaobide izzive neposrednega taljenja keramike. Kot da bi najprej oblikovali del s 3D-tiskanjem, nato pa mu s tradicionalnimi tehnikami vdahnili dušo in moč.
II. Kje se ta »preboj« zares kaže? Govorjenje brez dejanj je le prazno govorjenje.
Če temu rečemo preboj, mora biti prisotna resnična spretnost, kajne? Dejansko napredek aluminijevega oksidnega prahu v 3D-tiskanju ni zgolj »iz nič«, ampak resnično »iz dobrega v odlično«, saj rešuje številne prej nerešljive težave.
Prvič, odpravlja pojem »kompleksnosti« kot sinonim za »dragost«. Tradicionalno je bila obdelava aluminijeve keramike, kot so šobe ali toplotni izmenjevalniki s kompleksnimi notranjimi pretočnimi kanali, odvisna od oblikovanja kalupov ali strojne obdelave, kar je drago, zamudno in onemogoča izdelavo nekaterih struktur. Zdaj pa 3D-tiskanje omogoča neposredno, »brez kalupa« izdelavo katere koli kompleksne strukture, ki jo lahko oblikujete. Predstavljajte si aluminijevo keramično komponento z notranjo biomimetično satjasto strukturo, neverjetno lahko, a izjemno močno. V letalski in vesoljski industriji je to pravo »čarobno orožje« za zmanjšanje teže in izboljšanje zmogljivosti.
Drugič, dosega »popolno integracijo funkcije in oblike«. Nekateri deli zahtevajo tako kompleksne geometrije kot specializirane funkcije, kot so odpornost na visoke temperature, odpornost proti obrabi in izolacija. Na primer, keramične vezne roke, ki se uporabljajo v polprevodniški industriji, morajo biti lahke, sposobne hitrega gibanja ter popolnoma antistatične in odporne proti obrabi. Kar je prej zahtevalo sestavljanje več delov, je zdaj mogoče neposredno 3D-natisniti iz aluminijevega oksida kot eno samo integrirano komponento, kar znatno izboljša zanesljivost in zmogljivost.
Tretjič, uvaja zlato dobo personaliziranega prilagajanja. To je še posebej presenetljivo na področju medicine. Človeške kosti se zelo razlikujejo, prejšnji umetni kostni vsadki pa so imeli fiksne velikosti, zaradi česar so se zdravniki med operacijo morali zadovoljiti z njimi. Zdaj je z uporabo podatkov CT-preiskave pacienta mogoče neposredno 3D-natisniti porozni aluminijev keramični vsadek, ki se popolnoma ujema z bolnikovo morfologijo. Ta porozna struktura ni le lahka, ampak omogoča tudi, da kostne celice vanjo rastejo, s čimer se doseže prava »oseointegracija« in vsadek postane del telesa. Takšna prilagojena medicinska rešitev je bila prej nepredstavljiva.
Ⅲ. Prihodnost je prišla, a izzivov je veliko.
Seveda ne moremo samo govoriti. Uporaba aluminijevega prahu v 3D-tiskanju je še vedno kot rastoči "čudežni otrok" z ogromnim potencialom, a tudi nekaterimi najstniškimi izzivi.
Stroški ostajajo visoki: Visoko čist sferični aluminijev prah, primeren za 3D-tiskanje, je sam po sebi drag. Če k temu dodamo še večmilijonsko vredno specializirano tiskarsko opremo in porabo energije za poznejši postopek sintranja, stroški tiskanja aluminijevega dela ostajajo visoki.
Visoke procesne ovire: Od priprave tekoče zmesi in nastavitve parametrov tiskanja do naknadnega odstranjevanja veziva in nadzora krivulje sintranja, vsak korak zahteva poglobljeno strokovno znanje in tehnično znanje. Zlahka se pojavijo težave, kot so razpoke, deformacije in neenakomerno krčenje.
Doslednost delovanja: Zagotavljanje doslednih ključnih kazalnikov delovanja, kot sta trdnost in gostota, v vsaki seriji tiskanih delov je ključna ovira za obsežne aplikacije.