Alumiiniumoksiidi pulbri läbimurre 3D-printimismaterjalides
Sisse astudes Northwesterni Polütehnilise Ülikooli laborisse, valguskõvenev3D-printer sumiseb kergelt ja laserkiir liigub keraamilises suspensioonis täpselt. Vaid mõni tund hiljem esitletakse täielikult labürindilaadse keeruka struktuuriga keraamilist südamikku – seda kasutatakse lennukimootorite turbiinilabade valamiseks. Projekti eest vastutav professor Su Haijun osutas õrnale komponendile ja ütles: „Kolm aastat tagasi ei julgenud me sellisele täpsusele isegi mõelda. Peamine läbimurre peitub selles silmapaistmatus alumiiniumoksiidi pulbris.“
Kunagi oli alumiiniumoksiidkeraamika justkui „probleemne õpilane“ selles valdkonnas3D-printimine– suur tugevus, kõrge temperatuuritaluvus, hea isolatsioon, aga pärast trükkimist tekkis palju probleeme. Traditsiooniliste protsesside puhul on alumiiniumoksiidi pulbril halb voolavus ja see blokeerib sageli trükipea; paagutamise ajal võib kokkutõmbumine ulatuda 15–20% ja suure vaevaga trükitud osad deformeeruvad ja pragunevad kohe pärast põletamist; keerulised struktuurid? See on veelgi suurem luksus. Insenerid on mures: „See asi on nagu kangekaelne kunstnik, kellel on metsikud ideed, aga mitte piisavalt käsi.“
1. Vene valem: „keraamilise soomuse” paigaldaminealumiiniummaatriks
Pöördepunkt saabus esmalt materjalidisaini revolutsioonist. 2020. aastal kuulutasid Venemaa Riikliku Teadus- ja Tehnoloogiaülikooli (NUST MISIS) materjaliteadlased välja murrangulise tehnoloogia. Alumiiniumoksiidi pulbri lihtsalt segamise asemel panid nad kõrge puhtusastmega alumiiniumipulbri autoklaavi ja kasutasid hüdrotermilist oksüdeerimist, et "kasvatada" iga alumiiniumosakese pinnale täpselt kontrollitava paksusega alumiiniumoksiidkile kiht, just nagu alumiiniumkuulile nanotasemel soomuskihi panemine. See "südamiku-kesta struktuuriga" pulber näitab laserprintimisel (SLM-tehnoloogia) hämmastavat jõudlust: kõvadus on 40% suurem kui puhastel alumiiniummaterjalidel ja kõrge temperatuuri stabiilsus on oluliselt paranenud, mis vastab otseselt lennunduskvaliteedi nõuetele.
Projekti juht professor Alexander Gromov tõi ilmeka analoogia: „Varem olid komposiitmaterjalid nagu salatid – igaüks neist vastutas oma asja eest; meie pulbrid on nagu võileivad – alumiinium ja alumiiniumoksiid hammustavad teineteist kiht kihi haaval ja kumbki ei saa teiseta hakkama.“ See tugev side võimaldab materjalil näidata oma võimekust lennukimootorite osades ja ülikergetes kereraamides ning hakkab isegi titaanisulamite territooriumile väljakutset esitama.
2. Hiina tarkus: keraamika „paigaldamise“ maagia
Alumiiniumoksiidkeraamika trükkimise suurim probleem on paagutuskahanemine – kujutage ette, et sõtkusite hoolikalt savikuju ja see kahanes ahju jõudes kartuli suuruseks. Kui palju see kokku vajuks? 2024. aasta alguses avaldasid professor Su Haijuni meeskonna poolt Northwesterni Polütehnilises Ülikoolis ajakirjas Journal of Materials Science & Technology avaldatud tulemused tööstust ergutavalt: nad said peaaegu nullkahanemisega alumiiniumoksiidkeraamilise südamiku, mille kahanemismäär oli vaid 0,3%.
Saladus peitub lisamisesalumiiniumpulberalumiiniumoksiidiks ja seejärel täpset „atmosfäärimaagiat“.
Alumiiniumpulbri lisamine: Sega keraamilisse suspensiooni 15% peent alumiiniumpulbrit
Kontrollige atmosfääri: alumiiniumpulbri oksüdeerumise vältimiseks kasutage paagutamise alguses argoongaasi kaitset.
Nutikas lülitamine: kui temperatuur tõuseb 1400 °C-ni, lülitage atmosfäär järsult õhu vastu
Kohapealne oksüdeerimine: alumiiniumipulber sulab koheselt tilkadeks ja oksüdeerub alumiiniumoksiidiks ning mahu suurenemine kompenseerib kokkutõmbumist.
3. Sideaine revolutsioon: alumiiniumipulber muutub „nähtamatuks liimiks“
Samal ajal kui Venemaa ja Hiina meeskonnad töötavad kõvasti pulbri modifitseerimise kallal, on vaikselt küpsenud teine tehniline lahendus – alumiiniumipulbri kasutamine sideainena. Traditsiooniline keraamika3D-printimineSideained on enamasti orgaanilised vaigud, mis rasvaärastuse ajal põletamisel õõnsused jätavad. Kodumaise meeskonna 2023. aasta patent kasutab teistsugust lähenemisviisi: alumiiniumipulbrist tehakse veepõhine sideaine47.
Printimise ajal pihustab otsik alumiiniumoksiidi pulbrikihile täpselt 50–70% alumiiniumipulbrit sisaldavat „liimi“. Rasvaärastuse etapis imetakse sisse vaakum ja juhitakse läbi hapnikku ning alumiiniumipulber oksüdeeritakse temperatuuril 200–800 °C alumiiniumoksiidiks. Üle 20% mahupaisumise omadus võimaldab sellel aktiivselt poore täita ja vähendada kahanemise määra alla 5%. „See on samaväärne tellingute lammutamise ja uue seina ehitamisega samal ajal, täites omaenda auke!“ kirjeldas seda üks insener nii.
4. Osakeste kunst: sfäärilise pulbri võit
Alumiiniumoksiidi pulbri „välimus“ on ootamatult saanud läbimurrete võtmeks – see välimus viitab osakeste kujule. Ajakirjas „Open Ceramics“ 2024. aastal avaldatud uuringus võrreldi sfääriliste ja ebakorrapäraste alumiiniumoksiidi pulbrite toimivust sulatatud sadestamise (CF³) trükkimisel5:
Sfääriline pulber: voolab nagu peen liiv, täitemäär ületab 60% ning trükk on sile ja siidine.
Ebakorrapärane pulber: kleepub nagu jäme suhkur, viskoossus on 40 korda suurem ja otsik on blokeeritud, et elu kahtluse alla seada
Veelgi parem, sfäärilise pulbriga trükitud osade tihedus ületab pärast paagutamist kergesti 89% ja pinnaviimistlus vastab otseselt standardile. „Kes ikka veel „koledaid“ pulbrit kasutab? Voolav olek on lahingutõhusus!“ naeratas tehnik ja tegi kokkuvõtte.
Tulevik: Tähed ja mered eksisteerivad koos väikeste ja kaunitega
Alumiiniumoksiidi pulbri 3D-printimise revolutsioon pole kaugeltki läbi. Sõjatööstus on võtnud juhtrolli peaaegu nullkahanemisega südamike kasutamisel turboventilaatorlabade tootmisel; biomeditsiinivaldkond on hakanud pulbri bioühilduvust imetlema ja hakanud trükkima kohandatud luuimplantaate; elektroonikatööstus on keskendunud soojust hajutavatele aluspindadele – alumiiniumoksiidi soojusjuhtivus ja mitteelektriline juhtivus on ju asendamatud.