Ar pastebėjote, kaip populiarėja 3D spausdinimas? Prieš kelerius metus buvo gaminami tik maži plastikiniai žaislai ir koncepciniai modeliai, o dabar juo galima spausdinti namus, dantis ir net žmogaus organus! Jo vystymasis primena raketą.
Nepaisant populiarumo, jei 3D spausdinimas iš tiesų nori užimti lyderio poziciją pramoninėje gamyboje, jis negali pasikliauti vien „minkštaisiais persimonais“, tokiais kaip plastikas ir dervos. Jis tinka demonstraciniams modeliams gaminti, tačiau kalbant apie aukštos temperatūros detalių, kurios gali atlaikyti ekstremalias aplinkos sąlygas, arba didelio stiprumo, atsparumo dilimui tiksliųjų įtaisų gamybą, daugelis medžiagų iš karto tampa netinkamos.
Štai čia ir prasideda šiandienos straipsnio pagrindinis veikėjas...aliuminio oksido milteliai, paprastai vadinamas „korundu“. Ši medžiaga nėra lengva, pasižyminti iš esmės tvirtomis savybėmis: dideliu kietumu, atsparumu korozijai, atsparumu aukštai temperatūrai ir puikia izoliacija. Tradicinėse pramonės šakose ji jau yra patyrusi ugniai atsparių medžiagų, abrazyvų, keramikos ir kitose srityse.
Taigi kyla klausimas, kokios kibirkštys įsižiebs, kai tradicinė, „tvirta“ medžiaga susitiks su pažangiausia „skaitmeninės intelektualios gamybos“ technologija? Atsakymas: vyksta tyli medžiagų revoliucija.
Ⅰ. Kodėl aliuminio oksidas? Kodėl jis pralaužia formą?
Pirmiausia aptarkime, kodėl 3D spausdinimas anksčiau nebuvo palankus keraminėms medžiagoms. Pagalvokite: plastiko ar metalo miltelius gana lengva kontroliuoti, kai jie sukepinami arba ekstruduojami lazeriais. Tačiau keramikos milteliai yra trapūs ir sunkiai lydomi. Lazeriai, kurie juos sukepina ir vėliau formuoja, turi labai siaurą proceso langą, todėl jie yra linkę į įtrūkimus ir deformaciją, todėl išeiga yra nepaprastai maža.
Taigi, kaip aliuminio oksidas išsprendžia šią problemą? Tam reikia ne grubios jėgos, o „išradingumo“.
Pagrindinis proveržis slypi koordinuotoje 3D spausdinimo technologijos ir medžiagų formulių evoliucijoje. Dabartinės pagrindinės technologijos, tokios kaip rišiklio purškimas ir stereolitografija, naudoja „kreivės metodą“.
Rišiklio purškimas: Tai gana sumanus sprendimas. Skirtingai nuo tradicinių aliuminio oksido miltelių tiesioginio lydymo lazeriu metodų, šiuo metodu pirmiausia užtepamas plonas aliuminio oksido miltelių sluoksnis. Tada, kaip ir tikslus rašalinis spausdintuvas, spausdinimo galvutė purškia specialius „klijus“ ant norimos vietos, surišdama miltelius. Šis miltelių ir klijų užtepimas sluoksnis po sluoksnio galiausiai sukuria preliminarų, suformuotą „žalią kūną“. Šis žalias kūnas dar nėra kietas, todėl, kaip ir keramika, jis patiria galutinį „ugnies krikštą“ aukštos temperatūros krosnyje – sukepinimą. Tik po sukepinimo dalelės iš tikrųjų tvirtai sujungiamos, pasiekdamos mechanines savybes, artimas tradicinės keramikos savybėms.
Tai sumaniai įveikia tiesioginio keramikos lydymo iššūkius. Tai tarsi pirmiausia detalės formavimas naudojant 3D spausdinimą, o tada, naudojant tradicines technikas, jai suteikiama sielos ir stiprybės.
II. Kur iš tikrųjų pasireiškia šis „proveržis“? Kalbos be veiksmų tėra tuščios kalbos.
Jei tai vadinate proveržiu, turi būti tikras meistriškumas, tiesa? Iš tiesų, aliuminio oksido miltelių tobulinimas 3D spausdinime vyksta ne tiesiog „nuo nulio“, o iš tiesų „nuo gero iki puikaus“, išsprendžiant daugelį anksčiau neišsprendžiamų problemų.
Pirma, tai panaikina „sudėtingumo“ sąvoką kaip „brangumo“ sinonimą. Tradiciškai aliuminio oksido keramikos, tokios kaip purkštukai ar šilumokaičiai su sudėtingais vidiniais srauto kanalais, apdorojimas priklauso nuo formų formavimo arba mechaninio apdirbimo, kuris yra brangus, užima daug laiko ir dėl kurio kai kurių struktūrų sukurti neįmanoma. Tačiau dabar 3D spausdinimas leidžia tiesiogiai, „be formų“ sukurti bet kokią sudėtingą struktūrą, kurią galite suprojektuoti. Įsivaizduokite aliuminio oksido keramikos komponentą su vidine biomimetine korio struktūra, neįtikėtinai lengvą, bet itin tvirtą. Aviacijos ir kosmoso pramonėje tai tikras „stebuklingas ginklas“ svorio mažinimui ir našumo gerinimui.
Antra, pasiekiamas „tobulas funkcijos ir formos integravimas“. Kai kurioms dalims reikalingos ir sudėtingos geometrijos, ir specializuotos funkcijos, tokios kaip atsparumas aukštai temperatūrai, atsparumas dilimui ir izoliacija. Pavyzdžiui, puslaidininkių pramonėje naudojamos keraminės rišamosios svirtys turi būti lengvos, galinčios judėti dideliu greičiu, absoliučiai antistatinės ir atsparios dilimui. Tai, kam anksčiau reikėjo surinkti kelias dalis, dabar galima tiesiogiai 3D spausdinti iš aliuminio oksido kaip vieną integruotą komponentą, o tai žymiai pagerina patikimumą ir našumą.
Trečia, tai žymi suasmeninto pritaikymo aukso amžių. Tai ypač ryšku medicinos srityje. Žmogaus kaulai labai skiriasi, o ankstesni dirbtiniai kaulų implantai turėjo fiksuotus dydžius, todėl gydytojai buvo priversti su jais versti operaciją. Dabar, naudojant paciento kompiuterinės tomografijos duomenis, galima tiesiogiai 3D spausdintuvu atspausdinti porėtą aliuminio oksido keramikos implantą, kuris idealiai atitinka paciento morfologiją. Ši porėta struktūra yra ne tik lengva, bet ir leidžia kaulų ląstelėms į ją įaugti, pasiekiant tikrą „osseointegraciją“ ir implantą paverčiant kūno dalimi. Toks individualus medicininis sprendimas anksčiau buvo neįsivaizduojamas.
III. Ateitis atėjo, bet iššūkių netrūksta.
Žinoma, negalime tiesiog kalbėti. Aliuminio oksido miltelių panaudojimas 3D spausdinime vis dar yra tarsi augantis „vunderkindas“, turintis milžinišką potencialą, bet ir kai kurių paauglystės iššūkių.
Kaina išlieka didelė: didelio grynumo sferiniai aliuminio oksido milteliai, tinkami 3D spausdinimui, savaime yra brangūs. Pridėkite prie to kelių milijonų dolerių vertės specializuotą spausdinimo įrangą ir vėlesnio sukepinimo proceso energijos suvartojimą, todėl aliuminio oksido detalės spausdinimo kaina išlieka didelė.
Aukšti proceso barjerai: nuo suspensijos paruošimo ir spausdinimo parametrų nustatymo iki rišiklio pašalinimo po apdorojimo ir sukepinimo kreivės valdymo – kiekvienas žingsnis reikalauja gilių žinių ir techninių žinių. Gali lengvai kilti tokių problemų kaip įtrūkimai, deformacija ir netolygus susitraukimas.
Veikimo nuoseklumas: užtikrinti nuoseklius pagrindinius našumo rodiklius, tokius kaip stiprumas ir tankis kiekvienoje spausdintų dalių partijoje, yra esminė kliūtis didelio masto taikymams.