Kas olete märganud, kuidas 3D-printimine on muutumas üha populaarsemaks? Kui veel mõned aastad tagasi toodeti vaid väikeseid plastmassist mänguasju ja kontseptuaalseid mudeleid, siis nüüd on see võimeline printima maju, hambaid ja isegi inimorganeid! Selle areng on nagu rakett.
Kuid vaatamata oma populaarsusele, kui 3D-printimine soovib tõeliselt tööstuslikus tootmises juhtpositsiooni võtta, ei saa see loota ainult „pehmetele hurmaale” nagu plast ja vaigud. See sobib hästi demonstratsioondetailide valmistamiseks, kuid kui tegemist on kõrge temperatuuriga osade valmistamisega, mis taluvad äärmuslikke tingimusi, või ülitugevate ja kulumiskindlate täppisseadmetega, muutuvad paljud materjalid koheselt sobimatuks.
Siin tulebki mängu tänase artikli peategelane –alumiiniumoksiidi pulber, mida tuntakse ka kui „korund“. See materjal pole kerge kättesaamatu, omades loomupäraselt tugevaid omadusi: kõrge kõvadus, korrosioonikindlus, vastupidavus kõrgele temperatuurile ja suurepärane isolatsioon. Traditsioonilistes tööstusharudes on see juba veteran tulekindlate materjalide, abrasiivide, keraamika ja muude valdkondade jaoks.
Seega on küsimus, millised sädemed tekivad, kui traditsiooniline ja „vastupidav“ materjal kohtub tipptasemel „digitaalse intelligentse tootmise“ tehnoloogiaga? Vastus on: vaikne materjalide revolutsioon on käimas.
Ⅰ. Miks alumiiniumoksiid? Miks see vormi lõhub?
Arutagem kõigepealt, miks 3D-printimine pole varem keraamilisi materjale eelistanud. Mõelge sellele: plast- või metallpulbreid on laseritega paagutamisel või ekstrudeerimisel suhteliselt lihtne kontrollida. Kuid keraamilised pulbrid on haprad ja neid on raske sulatada. Laseritel, mis neid paagutavad ja seejärel vormivad, on väga kitsas protsessiaken, mistõttu on need altid pragunemisele ja deformatsioonile, mille tulemuseks on äärmiselt madal saagikus.
Kuidas alumiiniumoksiid selle probleemi lahendab? See ei tugine toorele jõule, vaid pigem "leidlikkusele".
Peamine läbimurre peitub 3D-printimise tehnoloogia ja materjalide formulatsioonide koordineeritud arengus. Praegused peavoolutehnoloogiad, nagu sideainepritsimine ja stereolitograafia, kasutavad „kõvera lähenemist“.
Sideainega pritsimine: See on üsna nutikas võte. Erinevalt traditsioonilistest meetoditest, kus alumiiniumoksiidipulbrit sulatatakse otse laseriga, kantakse selle meetodi puhul esmalt peale õhuke kiht alumiiniumoksiidipulbrit. Seejärel, nagu täpne tindiprinter, pihustab prindipea soovitud alale spetsiaalset „liimi“, mis sidub pulbri kokku. See pulbri ja liimi kiht-kihi haaval pealekandmine annab lõpuks esialgse, vormitud „rohelise keha“. See roheline keha pole veel tahke, seega läbib see nagu keraamika viimase „tuleristimise“ kõrgel temperatuuril ahjus – paagutamise. Alles pärast paagutamist seotakse osakesed tõeliselt kindlalt kokku, saavutades mehaanilised omadused, mis lähenevad traditsioonilise keraamika omadele.
See aitab nutikalt vältida keraamika otsesulatamise väljakutseid. See on nagu esmalt detaili vormimine 3D-printimise abil ja seejärel sellele traditsiooniliste tehnikate abil hinge ja jõu andmine.
II. Kus see „läbimurre“ tegelikult avaldub? Tegudeta jutt on lihtsalt tühi jutt.
Kui seda läbimurdeks nimetada, peab olema tegemist tõelise oskusega, eks? Alumiiniumoksiidipulbri edasiarendamine 3D-printimises ei toimu tõepoolest lihtsalt "nullist", vaid tõeliselt "heast suurepäraseni", lahendades paljusid varem lahendamatuid probleeme.
Esiteks välistab see „keerukuse” mõiste kui „kalliduse” sünonüümi. Traditsiooniliselt tugineb alumiiniumoksiidkeraamika, näiteks keerukate sisemiste voolukanalitega düüside või soojusvahetite töötlemine vormimise või mehaanika abil, mis on kulukas, aeganõudev ja muudab mõnede struktuuride loomise võimatuks. Kuid nüüd võimaldab 3D-printimine luua otsest, „vormivaba” mis tahes keeruka struktuuri, mida saate kujundada. Kujutage ette alumiiniumoksiidkeraamilist komponenti, millel on sisemine biomimeetiline kärgstruktuur, mis on uskumatult kerge, kuid äärmiselt tugev. Lennundustööstuses on see tõeline „võlurelv” kaalu vähendamiseks ja jõudluse parandamiseks.
Teiseks saavutab see „funktsiooni ja vormi täiusliku integratsiooni“. Mõned osad vajavad nii keerukat geomeetriat kui ka spetsialiseeritud funktsioone, nagu näiteks vastupidavus kõrgele temperatuurile, kulumiskindlus ja isolatsioon. Näiteks pooljuhtide tööstuses kasutatavad keraamilised sideharud peavad olema kerged, võimelised kiireks liikumiseks ning absoluutselt antistaatilised ja kulumiskindlad. See, mis varem nõudis mitme osa kokkupanekut, saab nüüd otse alumiiniumoksiidist 3D-printida ühe integreeritud komponendina, parandades oluliselt töökindlust ja jõudlust.
Kolmandaks, see juhatab sisse personaalse kohandamise kuldajastu. See on eriti silmatorkav meditsiinivaldkonnas. Inimeluud on väga erinevad ja varasematel tehisluusimplantaatidel olid fikseeritud suurused, mis sundis arste operatsiooni ajal nendega leppima. Nüüd on patsiendi kompuutertomograafia andmeid kasutades võimalik otse 3D-printida poorne alumiiniumoksiidkeraamiline implantaat, mis sobib ideaalselt patsiendi morfoloogiaga. See poorne struktuur pole mitte ainult kerge, vaid võimaldab ka luurakkudel sellesse kasvada, saavutades tõelise "osseointegratsiooni" ja muutes implantaadi kehaosaks. Selline kohandatud meditsiiniline lahendus oli varem kujuteldamatu.
III. Tulevik on saabunud, aga väljakutseid on küllaga.
Muidugi ei saa me lihtsalt rääkida. Alumiiniumoksiidi pulbri kasutamine 3D-printimisel on endiselt nagu kasvav „imelaps“, millel on tohutu potentsiaal, aga ka mõned teismeea väljakutsed.
Hind püsib kõrge: 3D-printimiseks sobiv kõrge puhtusastmega sfääriline alumiiniumoksiidi pulber on oma olemuselt kallis. Lisaks sellele on vaja mitme miljoni dollari suurust spetsiaalset trükiseadet ja järgneva paagutamise protsessi energiatarbimist ning alumiiniumoksiidist detaili printimise hind on endiselt kõrge.
Kõrged protsessitõkked: Alates suspensiooni ettevalmistamisest ja trükkimisparameetrite seadistamisest kuni järeltöötluse sidumisvastase eemaldamise ja paagutuskõvera juhtimiseni nõuab iga etapp põhjalikke teadmisi ja tehnilist kogemust. Kergesti võivad tekkida probleemid nagu pragunemine, deformatsioon ja ebaühtlane kokkutõmbumine.
Toimivuse järjepidevus: Suurte rakenduste puhul on oluliseks takistuseks järjepidevate peamiste toimivusnäitajate, näiteks tugevuse ja tiheduse tagamine iga trükitud osade partii ulatuses.