Aliuminio oksido miltelių proveržis 3D spausdinimo medžiagose
Įėjus į Šiaurės vakarų politechnikos universiteto laboratoriją, šviesa kietėjantis3D spausdintuvas švelniai dūzgia, o lazerio spindulys tiksliai juda keramikos srutoje. Vos po kelių valandų pristatomas pilnai pagamintas sudėtingas, į labirintą panašios struktūros keraminis branduolys – jis bus naudojamas orlaivių variklių turbinų mentėms lieti. Projektui vadovaujantis profesorius Su Haijunas atkreipė dėmesį į subtilų komponentą ir pasakė: „Prieš trejus metus net nedrįsome pagalvoti apie tokį tikslumą. Svarbiausias proveržis slypi šiuose nepastebimuose aliuminio oksido milteliuose.“
Kadaise aliuminio oksido keramika buvo tarsi „probleminis studentas“ šioje srityje3D spausdinimas– didelis stiprumas, atsparumas aukštai temperatūrai, gera izoliacija, tačiau atspausdinus iškilo daug problemų. Taikant tradicinius procesus, aliuminio oksido milteliai yra prastai takūs ir dažnai blokuoja spausdinimo galvutę; susitraukimo greitis sukepinimo metu gali siekti 15–20 %, o detalės, kurios buvo spausdintos didelėmis pastangomis, deformuojasi ir įtrūksta vos tik sudegintos; sudėtingos konstrukcijos? Tai dar didesnė prabanga. Inžinieriai nerimauja: „Šis daiktas panašus į užsispyrusį menininką, turintį beprotiškų idėjų, bet nepakankamai rankų.“
1. Rusiška formulė: „keraminių šarvų“ uždėjimasaliuminismatrica
Lūžio taškas pirmiausia įvyko dėl medžiagų dizaino revoliucijos. 2020 m. Rusijos nacionalinio mokslo ir technologijos universiteto (NUST MISIS) medžiagų mokslininkai paskelbė apie revoliucinę technologiją. Užuot tiesiog maišę aliuminio oksido miltelius, jie į autoklavą įdėjo labai grynus aliuminio miltelius ir hidroterminės oksidacijos būdu „užaugino“ tiksliai kontroliuojamo storio aliuminio oksido plėvelę ant kiekvienos aliuminio dalelės paviršiaus, panašiai kaip ant aliuminio rutuliuko uždedant nano lygio šarvų sluoksnį. Šie „šerdies-apvalkalo struktūros“ milteliai pasižymi nuostabiomis savybėmis lazerinio 3D spausdinimo metu (SLM technologija): kietumas yra 40 % didesnis nei gryno aliuminio medžiagų, o stabilumas aukštoje temperatūroje yra gerokai pagerintas, tiesiogiai atitinkant aviacijos lygio reikalavimus.
Projekto vadovas profesorius Aleksandras Gromovas pateikė vaizdingą analogiją: „Anksčiau kompozicinės medžiagos buvo kaip salotos – kiekviena tvarkėsi savo reikalais; mūsų milteliai – kaip sumuštiniai – aliuminis ir aliuminio oksidas sluoksnis po sluoksnio vienas kitą kandžiojasi, ir nė vienas negali apsieiti be kito.“ Šis stiprus ryšys leidžia medžiagai parodyti savo meistriškumą orlaivių variklių dalyse ir itin lengvuose kėbulų rėmuose ir netgi pradeda mesti iššūkį titano lydinių teritorijai.
2. Kinų išmintis: keramikos „tvirtinimo“ magija
Didžiausia aliuminio oksido keramikos spausdinimo problema yra susitraukimas sukepinimo metu – įsivaizduokite, kad kruopščiai minkėte molinę figūrėlę, ir ji vos įdėjusi į krosnį susitraukė iki bulvės dydžio. Kiek ji sugriūtų? 2024 m. pradžioje profesoriaus Su Haijuno komandos iš Šiaurės vakarų politechnikos universiteto žurnale „Journal of Materials Science & Technology“ paskelbti rezultatai sukėlė pramonės ažiotažą: jie gavo beveik nulinio susitraukimo aliuminio oksido keramikos šerdį, kurios susitraukimo rodiklis tesiekia 0,3 %.
Paslaptis – pridėtialiuminio milteliaiį aliuminio oksidą ir tada atlikti tikslią „atmosferos magiją“.
Įpilkite aliuminio miltelių: į keraminę suspensiją įmaišykite 15 % smulkių aliuminio miltelių
Kontroliuokite atmosferą: sukepinimo pradžioje naudokite argono dujų apsaugą, kad aliuminio milteliai nesioksiduotų.
Išmanus perjungimas: kai temperatūra pakyla iki 1400 °C, staiga perjunkite atmosferą į orą
Oksidacija vietoje: aliuminio milteliai akimirksniu išsilydo į lašelius ir oksiduojasi iki aliuminio oksido, o tūrio padidėjimas kompensuoja susitraukimą.
3. Rišiklio revoliucija: aliuminio milteliai virsta „nematomais klijais“
Kol Rusijos ir Kinijos komandos sunkiai dirba ties miltelių modifikavimu, tyliai subrendo kitas techninis būdas – aliuminio miltelių naudojimas kaip rišiklio. Tradicinė keramika3D spausdinimasRišikliai dažniausiai yra organinės dervos, kurios, degdamos riebalų šalinimo metu, paliks ertmes. Vietinės komandos 2023 m. patente taikomas kitoks metodas: aliuminio milteliai paverčiami vandeniniu rišikliu47.
Spausdinimo metu antgalis tiksliai purškia „klijus“, kurių sudėtyje yra 50–70 % aliuminio miltelių, ant aliuminio oksido miltelių sluoksnio. Riebalų šalinimo etape įsiurbiamas vakuumas ir praleidžiamas deguonis, o aliuminio milteliai 200–800 °C temperatūroje oksiduojami iki aliuminio oksido. Dėl didesnio nei 20 % tūrio padidėjimo jie aktyviai užpildo poras ir sumažina susitraukimo greitį iki mažiau nei 5 %. „Tai tolygu pastolių išardymui ir naujos sienos statybai tuo pačiu metu, užpildant savo skyles!“ – taip tai apibūdino vienas inžinierius.
4. Dalelių menas: sferinių miltelių pergalė
Aliuminio oksido miltelių „išvaizda“ netikėtai tapo proveržio raktu – ši išvaizda nurodo dalelių formą. 2024 m. žurnale „Open Ceramics“ paskelbtame tyrime buvo lyginamas sferinių ir netaisyklingos formos aliuminio oksido miltelių veikimas lydyto nusodinimo (CF³) spausdinimo metu5:
Sferiniai milteliai: teka kaip smulkus smėlis, užpildymo greitis viršija 60%, o spausdinimas yra lygus ir šilkinis
Netaisyklingi milteliai: prilipę kaip stambus cukrus, klampumas yra 40 kartų didesnis, o antgalis užblokuotas, kad būtų galima abejoti gyvybe
Dar geriau, sferiniais milteliais atspausdintų detalių tankis po sukepinimo lengvai viršija 89 %, o paviršiaus apdaila tiesiogiai atitinka standartą. „Kas dabar vis dar naudoja „negražius“ miltelius? Sklandumas – tai kovinis efektyvumas!“ – nusišypsojo technikas ir padarė išvadą.
Ateitis: žvaigždės ir jūros egzistuoja kartu su mažais ir gražiais
Aliuminio oksido miltelių 3D spausdinimo revoliucija dar toli gražu nesibaigė. Karinė pramonė ėmėsi iniciatyvos, naudodama beveik nulinio susitraukimo šerdis turboventiliatorių mentėms gaminti; biomedicinos sritis patraukė biologinio suderinamumo dėmesį ir pradėjo spausdinti individualius kaulų implantus; elektronikos pramonė sutelkė dėmesį į šilumos išsklaidymo substratus – juk aliuminio oksido šilumos laidumas ir neelektrinis laidumas yra nepakeičiami.