Пробој алуминијумског праха у материјалима за 3Д штампање
Улазак у лабораторију Северозападног политехничког универзитета, лабораторију за светлосно полимеризовање3Д штампач благо зуји, а ласерски зрак се прецизно креће у керамичкој суспензији. Само неколико сати касније, керамичко језгро са сложеном структуром попут лавиринта је у потпуности представљено – користиће се за ливење лопатица турбина авионских мотора. Професор Су Хаијун, који је задужен за пројекат, показао је на деликатну компоненту и рекао: „Пре три године нисмо смели ни да помислимо на такву прецизност. Кључни пробој је скривен у овом неупадљивом праху алуминијума.“
Некада давно, алуминијумска керамика је била попут „проблематичног ученика“ у области3Д штампање– висока чврстоћа, отпорност на високе температуре, добра изолација, али када је одштампан, имао је много проблема. Код традиционалних процеса, прах алуминијума има лошу флуидност и често блокира главу за штампање; стопа скупљања током синтеровања може бити и до 15%-20%, а делови који су штампани уз велики напор ће се деформисати и пуцати чим се сагоре; сложене структуре? То је још већи луксуз. Инжењери су забринути: „Ова ствар је као тврдоглави уметник, са дивљим идејама, али нема довољно руку.“
1. Руска формула: Стављање „керамичког оклопа“ наалуминијумматрица
Прекретница је прво дошла од револуције у дизајну материјала. Године 2020, научници за материјале са Националног универзитета за науку и технологију (НУСТ МИСИС) Русије најавили су револуционарну технологију. Уместо једноставног мешања праха алуминијум оксида, ставили су високочисти алуминијумски прах у аутоклав и користили хидротермалну оксидацију да би „узгајали“ слој филма алуминијум оксида са прецизно контролисаном дебљином на површини сваке честице алуминијума, баш као што се на алуминијумску куглу ставља слој оклопа на нано нивоу. Овај прах са „језгро-љускастом структуром“ показује невероватне перформансе током ласерског 3Д штампања (SLM технологија): тврдоћа је 40% већа од тврдоће чистих алуминијумских материјала, а стабилност на високим температурама је знатно побољшана, директно испуњавајући захтеве авијацијског квалитета.
Професор Александар Громов, вођа пројекта, направио је живописну аналогију: „У прошлости, композитни материјали су били као салате – сваки је био задужен за свој посао; наши прахови су као сендвичи – алуминијум и глиница се међусобно гризу слој по слој, и ниједан не може без другог.“ Ова јака спрега омогућава материјалу да покаже своју моћ у деловима мотора авиона и ултралаким оквирима каросерије, па чак почиње да изазива територију легура титанијума.
2. Кинеска мудрост: магија „постављања“ керамике
Највећа болна тачка штампања алуминијумске керамике је скупљање при синтеровању – замислите да пажљиво месите глинену фигуру и да се она смањи на величину кромпира чим уђе у пећ. Колико би се срушила? Почетком 2024. године, резултати које је објавио тим професора Су Хаијуна на Северозападном политехничком универзитету у часопису Journal of Materials Science & Technology покренули су индустрију: добили су језгро од алуминијумске керамике са скоро нултим скупљањем и стопом скупљања од само 0,3%.
Тајна је у додавањуалуминијумски прахдо алуминијума, а затим одсвирати прецизну „атмосферску магију“.
Додати алуминијумски прах: Умешати 15% финог алуминијумског праха у керамичку кашу
Контролишите атмосферу: Користите заштиту аргоном на почетку синтеровања како бисте спречили оксидацију алуминијумског праха
Паметно пребацивање: Када температура порасте на 1400°C, изненада пребаците атмосферу на ваздух
Оксидација на лицу места: Алуминијумски прах се тренутно топи у капљице и оксидира у алуминијум оксид, а ширење запремине надокнађује контракцију
3. Револуција везива: алуминијумски прах се претвара у „невидљиви лепак“
Док руски и кинески тимови вредно раде на модификацији праха, још један технички пут је тихо сазрео – коришћење алуминијумског праха као везива. Традиционална керамика3Д штампањеВезивна средства су углавном органске смоле, које ће оставити шупљине када се сагоре током одмашћивања. Патент домаћег тима из 2023. године користи другачији приступ: претварање алуминијумског праха у везиво на бази воде47.
Током штампања, млазница прецизно прска „лепак“ који садржи 50-70% алуминијумског праха на слој праха алуминијум оксида. Када дође до фазе одмашћивања, усисава се вакуум и пропушта се кисеоник, а алуминијумски прах се оксидује у алуминијум оксид на 200-800°C. Карактеристика запреминског ширења од преко 20% омогућава му да активно попуни поре и смањи стопу скупљања на мање од 5%. „То је еквивалентно демонтажи скеле и истовременој изградњи новог зида, попуњавајући сопствене рупе!“, описао је то један инжењер на следећи начин.
4. Уметност честица: победа сферног праха
„Изглед“ праха алуминијума је неочекивано постао кључ открића – овај изглед се односи на облик честица. Студија у часопису „Open Ceramics“ из 2024. године упоредила је перформансе сферних и неправилних прахова алуминијума у штампању методом таложења растопљеним металом (CF³)5:
Сферични прах: тече као фини песак, брзина пуњења прелази 60%, а штампа је глатка и свиленкаста
Неправилан прах: залепљен као крупни шећер, вискозност је 40 пута већа, а млазница је блокирана да би се сумњало у живот
Штавише, густина делова одштампаних сферним прахом лако прелази 89% након синтеровања, а површинска обрада директно испуњава стандард. „Ко још увек користи „ружни“ прах? Флуидност је борбена ефикасност!“ Техничар се насмешио и закључио5.
Будућност: Звезде и мора коегзистирају са малим и лепим
Револуција 3Д штампања праха алуминијума је далеко од краја. Војна индустрија је преузела водећу улогу у примени језгара са скоро нултим скупљањем за производњу лопатица турбовентилатора; биомедицинска област је одушевила се његовом биокомпатибилношћу и почела да штампа прилагођене коштане имплантате; електронска индустрија је циљала подлоге за дисипацију топлоте – на крају крајева, топлотна проводљивост и неелектрична проводљивост алуминијума су незаменљиве.