Proboj aluminijevog praha u materijalima za 3D ispis
Ulazak u laboratorij Sveučilišta Northwestern Polytechnical, laboratorij za svjetlosnu polimerizaciju3D printer lagano zuji, a laserska zraka se precizno kreće u keramičkoj suspenziji. Samo nekoliko sati kasnije, keramička jezgra složene strukture poput labirinta u potpunosti je predstavljena – koristit će se za lijevanje lopatica turbina zrakoplovnih motora. Profesor Su Haijun, koji je zadužen za projekt, pokazao je na osjetljivu komponentu i rekao: „Prije tri godine nismo se usudili ni pomisliti na takvu preciznost. Ključni proboj krije se u ovom neupadljivom prahu aluminijevog oksida.“
Nekada davno, aluminijeva keramika bila je poput "problematičnih učenika" u području3D ispis– visoka čvrstoća, otpornost na visoke temperature, dobra izolacija, ali nakon tiska imao je mnogo problema. U tradicionalnim procesima, aluminijev prah ima slabu fluidnost i često blokira glavu pisača; stopa skupljanja tijekom sinteriranja može biti visoka i do 15%-20%, a dijelovi koji su tiskani s velikim naporom deformirat će se i ispucati čim se izgore; složene strukture? To je još veći luksuz. Inženjeri su zabrinuti: „Ova stvar je poput tvrdoglavog umjetnika, s divljim idejama, ali bez dovoljno ruku.“
1. Ruska formula: Stavljanje „keramičkog oklopa“ naaluminijmatrica
Prekretnica je došla s revolucijom u dizajnu materijala. Godine 2020., znanstvenici za materijale s Nacionalnog sveučilišta za znanost i tehnologiju (NUST MISIS) Rusije najavili su revolucionarnu tehnologiju. Umjesto jednostavnog miješanja praha aluminijevog oksida, stavili su visokočisti aluminijski prah u autoklav i koristili hidrotermalnu oksidaciju kako bi "uzgojili" sloj filma aluminijevog oksida s precizno kontroliranom debljinom na površini svake aluminijske čestice, baš kao što se na aluminijsku kuglu stavlja sloj nano-oklopa. Ovaj prah "jezgrene strukture" pokazuje nevjerojatne performanse tijekom laserskog 3D ispisa (SLM tehnologija): tvrdoća je 40% veća od tvrdoće čistih aluminijskih materijala, a stabilnost na visokim temperaturama je znatno poboljšana, što izravno zadovoljava zahtjeve zrakoplovne klase.
Profesor Alexander Gromov, voditelj projekta, napravio je živopisnu analogiju: „U prošlosti su kompozitni materijali bili poput salata – svaki je bio zadužen za svoj posao; naši prahovi su poput sendviča – aluminij i aluminijev oksid grizu se sloj po sloj, i nijedan ne može bez drugog.“ Ova snažna veza omogućuje materijalu da pokaže svoju snagu u dijelovima zrakoplovnih motora i ultralaganim okvirima karoserije, pa čak i počinje izazivati teritorij titanovih legura.
2. Kineska mudrost: magija „postavljanja“ keramike
Najveća bolna točka tiska od aluminijeve keramike je skupljanje sinteriranjem – zamislite da pažljivo mijesite glinenu figuru i da se ona smanji na veličinu krumpira čim uđe u pećnicu. Koliko bi se srušila? Početkom 2024. godine, rezultati koje je objavio tim profesora Su Haijuna na Sveučilištu Northwestern Polytechnical u časopisu Journal of Materials Science & Technology oduševili su industriju: dobili su keramičku jezgru od aluminijevog oksida s gotovo nultom stopom skupljanja od samo 0,3%.
Tajna je u dodavanjualuminijski prahdo aluminijevog oksida, a zatim odsvirati preciznu „atmosfersku magiju“.
Dodavanje aluminijskog praha: Umiješajte 15% finog aluminijskog praha u keramičku suspenziju
Kontrolirajte atmosferu: Koristite zaštitu plinom argona na početku sinteriranja kako biste spriječili oksidaciju aluminijskog praha
Pametno prebacivanje: Kada temperatura poraste na 1400°C, naglo prebacite atmosferu na zrak
Oksidacija in situ: Aluminijski prah se trenutno topi u kapljice i oksidira u aluminijev oksid, a ekspanzija volumena kompenzira kontrakciju
3. Revolucija veziva: aluminijev prah pretvara se u „nevidljivo ljepilo“
Dok ruski i kineski timovi naporno rade na modifikaciji praha, tiho je sazrio još jedan tehnički put - korištenje aluminijskog praha kao veziva. Tradicionalna keramika3D ispisVeziva su uglavnom organske smole koje će ostaviti šupljine kada se spale tijekom odmašćivanja. Patent domaćeg tima iz 2023. godine koristi drugačiji pristup: pretvaranje aluminijskog praha u vezivo na bazi vode47.
Tijekom ispisa, mlaznica precizno raspršuje „ljepilo“ koje sadrži 50-70% aluminijevog praha na sloj aluminijevog oksidnog praha. Kada dođe do faze odmašćivanja, usisava se vakuum i propušta kisik, a aluminijski prah oksidira u aluminijev oksid na 200-800°C. Karakteristika volumenskog širenja od više od 20% omogućuje aktivno popunjavanje pora i smanjenje stope skupljanja na manje od 5%. „To je ekvivalentno rastavljanju skele i istovremenoj izgradnji novog zida, ispunjavajući vlastite rupe!“, tako je to opisao jedan inženjer.
4. Umjetnost čestica: pobjeda sfernog praha
„Izgled“ praha aluminijevog oksida neočekivano je postao ključ otkrića – taj izgled odnosi se na oblik čestica. Studija u časopisu „Open Ceramics“ iz 2024. godine usporedila je performanse sferičnih i nepravilnih prahova aluminijevog oksida u tisku taljenjem (CF³)5:
Sferni prah: teče poput finog pijeska, brzina punjenja prelazi 60%, a ispis je gladak i svilenkast
Nepravilan prah: zalijepljen poput krupnog šećera, viskoznost je 40 puta veća, a mlaznica je blokirana da bi se sumnjalo u vijek trajanja
Još bolje, gustoća dijelova otisnutih sferičnim prahom lako prelazi 89% nakon sinteriranja, a površinska obrada izravno zadovoljava standard. „Tko još uvijek koristi „ružni“ prah? Fluidnost je borbena učinkovitost!“ Tehničar se nasmiješio i zaključio5.
Budućnost: Zvijezde i mora koegzistiraju s malim i lijepim
Revolucija 3D ispisa praha aluminijevog oksida daleko je od kraja. Vojna industrija preuzela je vodstvo u primjeni jezgri s gotovo nultom skupljajućom površinom za proizvodnju lopatica turboventilatora; biomedicinsko područje se zainteresiralo za njegovu biokompatibilnost i počelo tiskati prilagođene koštane implantate; elektronička industrija ciljala je na podloge za odvođenje topline - uostalom, toplinska vodljivost i neelektrična vodljivost aluminijevog oksida su nezamjenjive.