Пробив на алуминиев прах в материалите за 3D печат
Влизайки в лабораторията на Северозападния политехнически университет, фотополимеризираща3D принтер бръмчи леко, а лазерният лъч се движи прецизно в керамичната суспензия. Само няколко часа по-късно е напълно представено керамично ядро със сложна структура, подобна на лабиринт – то ще бъде използвано за отливане на лопатките на турбините на самолетните двигатели. Професор Су Хайджун, който отговаря за проекта, посочи деликатния компонент и каза: „Преди три години не смеехме дори да си помислим за такава прецизност. Ключовият пробив се крие в този незабележим алуминиев прах.“
Някога алуминиевата керамика беше като „проблемен ученик“ в областта на3D печат– висока якост, устойчивост на висока температура, добра изолация, но след като беше отпечатан, имаше много проблеми. При традиционните процеси, алуминиевият прах има лоша течливост и често блокира печатащата глава; степента на свиване по време на синтероване може да достигне 15%-20%, а частите, които са били отпечатани с големи усилия, ще се деформират и напукат веднага щом бъдат изгорени; сложни структури? Това е още по-голям лукс. Инженерите са обезпокоени: „Това нещо е като инатлив художник, с диви идеи, но без достатъчно ръце.“
1. Руска формула: Поставяне на „керамична броня“ върхуалуминийматрица
Повратният момент дойде от революцията в дизайна на материалите. През 2020 г. учени по материалознание от Националния университет за наука и технологии (NUST MISIS) на Русия обявиха революционна технология. Вместо просто да смесват алуминиев оксиден прах, те поставиха високочист алуминиев прах в автоклав и използваха хидротермално окисление, за да „отгледат“ слой от алуминиев оксиден филм с прецизно контролируема дебелина върху повърхността на всяка алуминиева частица, точно както се поставя слой от наноброня върху алуминиева топка. Този прах със „структура ядро-обвивка“ показва невероятни характеристики по време на лазерен 3D печат (SLM технология): твърдостта е с 40% по-висока от тази на чистите алуминиеви материали, а стабилността при високи температури е значително подобрена, което директно отговаря на изискванията за авиационен клас.
Професор Александър Громов, ръководителят на проекта, направи ярка аналогия: „В миналото композитните материали бяха като салати – всеки от тях отговаряше за собствената си работа; нашите прахове са като сандвичи – алуминият и алуминиевият оксид се захапват слой по слой и нито един не може без другия.“ Това силно свързване позволява на материала да покаже своите качества в частите на самолетните двигатели и ултралеките рамки на каросерията, и дори започва да оспорва територията на титановите сплави.
2. Китайска мъдрост: магията на „залепването“ на керамиката
Най-големият проблем при печатането с алуминиева керамика е свиването при синтероване – представете си, че внимателно сте месили глинена фигура и тя се е свила до размера на картоф веднага щом влезе във фурната. До каква степен би се свила? В началото на 2024 г. резултатите, публикувани от екипа на професор Су Хайджун от Северозападния политехнически университет в Journal of Materials Science & Technology, шокираха индустрията: те получиха алуминиево-керамично ядро с почти нулево свиване и процент на свиване само 0,3%.
Тайната е да добавитеалуминиев прахдо алуминиев оксид и след това да възпроизведат прецизна „атмосферна магия“.
Добавяне на алуминиев прах: Смесете 15% фин алуминиев прах с керамичната суспензия
Контролирайте атмосферата: Използвайте аргонова газова защита в началото на синтероването, за да предотвратите окисляването на алуминиевия прах.
Интелигентно превключване: Когато температурата се повиши до 1400°C, внезапно превключете атмосферата на въздух
Окисление на място: Алуминиевият прах мигновено се топи на капчици и се окислява до алуминиев оксид, а обемното разширение компенсира свиването.
3. Революция на свързващите вещества: алуминиевият прах се превръща в „невидимо лепило“
Докато руският и китайският екип работят усилено върху модифицирането на прах, друг технически път тихомълком е узрял – използване на алуминиев прах като свързващо вещество. Традиционна керамика3D печатСвързващите вещества са предимно органични смоли, които ще оставят кухини при изгаряне по време на обезмасляване. Патент на местен екип от 2023 г. използва различен подход: превръщане на алуминиев прах в свързващо вещество на водна основа47.
По време на печат, дюзата прецизно пръска „лепило“, съдържащо 50-70% алуминиев прах, върху слоя от алуминиев оксид. Когато се стигне до етапа на обезмасляване, се засмуква вакуум и се пропуска кислород, алуминиевият прах се окислява до алуминиев оксид при 200-800°C. Характеристиката на обемно разширение от над 20% позволява активно запълване на порите и намаляване на степента на свиване до по-малко от 5%. „Това е еквивалентно на демонтиране на скелето и едновременно с това изграждане на нова стена, като запълвате собствените си дупки!“, описва го един инженер по следния начин.
4. Изкуството на частиците: победата на сферичния прах
„Външният вид“ на алуминиевия прах неочаквано се превърна в ключ към откритията – този външен вид се отнася до формата на частиците. Проучване в списанието „Open Ceramics“ през 2024 г. сравнява производителността на сферични и неправилни алуминиеви прахове при печат чрез стопено отлагане (CF³)5:
Сферичен прах: тече като фин пясък, степента на запълване надвишава 60%, а печатът е гладък и копринен
Неправилен прах: залепнал като едра захар, вискозитетът е 40 пъти по-висок, а дюзата е блокирана, за да се съмнява в живота
Още по-хубаво е, че плътността на частите, отпечатани със сферичен прах, лесно надвишава 89% след синтероване, а повърхностното покритие отговаря директно на стандарта. „Кой все още използва „грозен“ прах? Флуидността е бойна ефективност!“ Един техник се усмихна и заключи5.
Бъдеще: Звездите и моретата съществуват едновременно с малките и красивите
3D печатната революция на алуминиевия прах далеч не е приключила. Военната индустрия пое водеща роля в прилагането на сърца с почти нулево свиване за производството на лопатки на турбовентилатори; биомедицинската област се е захванала с неговата биосъвместимост и е започнала да печата персонализирани костни импланти; електронната индустрия се е насочила към субстрати за разсейване на топлината – в края на краищата, топлопроводимостта и неелектрическата проводимост на алуминиевия оксид са незаменими.