Descoperire importantă în domeniul pulberii de alumină în materialele pentru imprimarea 3D
Intrând în laboratorul Universității Politehnice Northwestern, un centru de fotopolimerizareImprimantă 3D bâzâie ușor, iar fasciculul laser se mișcă precis în suspensia ceramică. Doar câteva ore mai târziu, este prezentat complet un miez ceramic cu o structură complexă, asemănătoare unui labirint – acesta va fi folosit pentru a turna palele turbinelor motoarelor de avioane. Profesorul Su Haijun, responsabil de proiect, a arătat spre componenta delicată și a spus: „Acum trei ani, nu îndrăzneam nici măcar să ne gândim la o asemenea precizie. Descoperirea cheie este ascunsă în această pulbere de alumină discretă.”
A fost odată ca niciodată, ceramica de alumină era ca un „elev problemă” în domeniulImprimare 3D– rezistență ridicată, rezistență la temperaturi ridicate, izolație bună, dar odată ce a fost imprimată, a avut o mulțime de probleme. În procesele tradiționale, pulberea de alumină are o fluiditate slabă și adesea blochează capul de imprimare; rata de contracție în timpul sinterizării poate fi de până la 15%-20%, iar piesele care au fost imprimate cu mare efort se vor deforma și crăpa imediat ce sunt arse; structuri complexe? Este un lux și mai mare. Inginerii sunt tulburați: „Chestia asta e ca un artist încăpățânat, cu idei nebunești, dar fără suficiente mâini.”
1. Formula rusească: Punerea unei „armuri ceramice” pealuminiumatrice
Punctul de cotitură a venit inițial odată cu revoluția în designul materialelor. În 2020, oamenii de știință specializați în materiale de la Universitatea Națională de Știință și Tehnologie (NUST MISIS) din Rusia au anunțat o tehnologie revoluționară. În loc să amestece pur și simplu pulbere de oxid de aluminiu, au introdus pulbere de aluminiu de înaltă puritate într-o autoclavă și au folosit oxidarea hidrotermală pentru a „crește” un strat de peliculă de oxid de aluminiu cu o grosime precis controlabilă pe suprafața fiecărei particule de aluminiu, la fel ca aplicarea unui strat de armură la nivel nanometric pe bila de aluminiu. Această pulbere cu „structură miez-coajă” prezintă performanțe uimitoare în timpul imprimării 3D cu laser (tehnologia SLM): duritatea este cu 40% mai mare decât cea a materialelor din aluminiu pur, iar stabilitatea la temperaturi ridicate este mult îmbunătățită, îndeplinind direct cerințele de nivel aeronautic.
Profesorul Alexander Gromov, liderul proiectului, a făcut o analogie vie: „În trecut, materialele compozite erau ca niște salate – fiecare se ocupa de propria treabă; pulberile noastre sunt ca niște sandvișuri – aluminiul și alumina se îmbină strat cu strat, și niciunul nu se poate lipsi unul de celălalt.” Această cuplare puternică permite materialului să își arate măiestria în piese de motoare de avioane și cadre de caroserii ultraușoare și chiar începe să conteste teritoriul aliajelor de titan.
2. Înțelepciunea chineză: magia „montării” ceramicii
Cel mai mare punct slab al imprimării ceramice de alumină este contracția prin sinterizare – imaginați-vă că ați frământat cu grijă o figurină de lut și aceasta s-a micșorat la dimensiunea unui cartof imediat ce a intrat în cuptor. Cât de mult s-ar prăbuși? La începutul anului 2024, rezultatele publicate de echipa profesorului Su Haijun de la Universitatea Politehnică Northwestern în Journal of Materials Science & Technology au declanșat industria: au obținut un miez ceramic de alumină cu contracție aproape zero, cu o rată de contracție de doar 0,3%.
Secretul este să adaugipulbere de aluminiula alumină și apoi să reproducă o „magie a atmosferei” precisă.
Adăugați pulbere de aluminiu: Amestecați 15% pulbere fină de aluminiu în pasta ceramică
Controlați atmosfera: Folosiți protecție cu gaz argon la începutul sinterizării pentru a preveni oxidarea pulberii de aluminiu
Comutare inteligentă: Când temperatura crește la 1400°C, comută brusc atmosfera la aer
Oxidare in situ: Pulberea de aluminiu se topește instantaneu în picături și se oxidează în oxid de aluminiu, iar expansiunea volumului compensează contracția.
3. Revoluția lianților: pulberea de aluminiu se transformă în „adeziv invizibil”
În timp ce echipele rusești și chineze lucrează intens la modificarea pulberii, o altă cale tehnică s-a maturizat în liniște - utilizarea pulberii de aluminiu ca liant. Ceramica tradiționalăImprimare 3DLianții sunt în mare parte rășini organice, care vor lăsa cavități atunci când sunt arse în timpul degresării. Brevetul din 2023 al unei echipe autohtone adoptă o abordare diferită: transformarea pulberii de aluminiu într-un liant pe bază de apă47.
În timpul imprimării, duza pulverizează cu precizie „adeziv” care conține 50-70% pulbere de aluminiu pe stratul de pulbere de oxid de aluminiu. În etapa de degresare, se trage vid și se trece oxigen, iar pulberea de aluminiu este oxidată în oxid de aluminiu la 200-800°C. Caracteristica de expansiune volumică de peste 20% îi permite să umple activ porii și să reducă rata de contracție la mai puțin de 5%. „Este echivalent cu demontarea schelei și construirea unui perete nou în același timp, umplându-ți propriile găuri!”, a descris-o un inginer astfel.
4. Arta particulelor: victoria pulberii sferice
„Aspectul” pulberii de alumină a devenit în mod neașteptat cheia descoperirilor – acest aspect se referă la forma particulelor. Un studiu publicat în revista „Open Ceramics” în 2024 a comparat performanța pulberilor de alumină sferice și neregulate în imprimarea prin depunere topită (CF³)5:
Pulbere sferică: curge ca nisipul fin, rata de umplere depășește 60%, iar imprimarea este netedă și mătăsoasă
Pulbere neregulată: lipită ca zahărul grosier, vâscozitatea este de 40 de ori mai mare, iar duza este blocată, punând la îndoială durata de viață.
Și mai bine, densitatea pieselor imprimate cu pulbere sferică depășește cu ușurință 89% după sinterizare, iar finisajul suprafeței respectă direct standardul. „Cine mai folosește acum pulbere «urâtă»? Fluiditatea este eficiență în luptă!”, a zâmbit un tehnician și a concluzionat5.
Viitor: Stelele și mările coexistă cu micile și frumoasele
Revoluția imprimării 3D a pulberii de alumină este departe de a se fi încheiat. Industria militară a preluat conducerea în aplicarea miezurilor cu contracție aproape zero pentru fabricarea palelor de turbofan; domeniul biomedical a acordat atenție biocompatibilității acestora și a început să imprime implanturi osoase personalizate; industria electronică a vizat substraturile de disipare a căldurii - la urma urmei, conductivitatea termică și conductivitatea neelectrică a aluminei sunt de neînlocuit.