Prielom v oblasti 3D tlačových materiálov s práškovým oxidom hlinitým
Vchod do laboratória Severozápadnej polytechnickej univerzity, kde sa vytvrdzuje svetlom3D tlačiareň mierne bzučí a laserový lúč sa presne pohybuje v keramickej suspenzii. Len o niekoľko hodín neskôr je keramické jadro so zložitou štruktúrou pripomínajúcou bludisko plne prezentované – bude použité na odlievanie lopatiek turbín leteckých motorov. Profesor Su Haijun, ktorý je zodpovedný za projekt, ukázal na jemnú súčiastku a povedal: „Pred tromi rokmi sme sa neodvážili ani len pomyslieť na takúto presnosť. Kľúčový prielom sa skrýva v tomto nenápadnom prášku oxidu hlinitého.“
Kedysi dávno bola aluminová keramika v oblasti... ako „problémový študent“3D tlač– vysoká pevnosť, odolnosť voči vysokým teplotám, dobrá izolácia, ale po tlači sa vyskytlo veľa problémov. Pri tradičných procesoch má oxid hlinitý nízku tekutosť a často blokuje tlačiacu hlavu; miera zmršťovania počas spekania môže byť až 15 % – 20 % a diely, ktoré boli vytlačené s veľkým úsilím, sa po vypálení deformujú a praskajú; zložité štruktúry? Je to ešte väčší luxus. Inžinieri sú znepokojení: „Táto vec je ako tvrdohlavý umelec s divokými nápadmi, ale bez dostatočného množstva rúk.“
1. Ruský vzorec: Nasadenie „keramického panciera“ nahliníkmatica
Zlom prišiel najprv s revolúciou v materiálovom dizajne. V roku 2020 materiáloví vedci z Národnej univerzity vedy a techniky (NUST MISIS) v Rusku oznámili prelomovú technológiu. Namiesto jednoduchého miešania práškového oxidu hlinitého vložili vysoko čistý hliníkový prášok do autoklávu a pomocou hydrotermálnej oxidácie „vypestovali“ vrstvu filmu oxidu hlinitého s presne kontrolovateľnou hrúbkou na povrchu každej hliníkovej častice, podobne ako keby sa na hliníkovú guľu naniesla vrstva nanoúrovňového panciera. Tento prášok so „štruktúrou jadra a obalu“ vykazuje úžasný výkon počas laserovej 3D tlače (technológia SLM): tvrdosť je o 40 % vyššia ako u čistých hliníkových materiálov a stabilita pri vysokých teplotách je výrazne zlepšená, čo priamo spĺňa požiadavky leteckej triedy.
Profesor Alexander Gromov, vedúci projektu, urobil živú analógiu: „V minulosti boli kompozitné materiály ako šaláty – každý mal na starosti svoju vlastnú záležitosť; naše prášky sú ako sendviče – hliník a oxid hlinitý sa navzájom zahryznú vrstvu po vrstve a ani jeden sa bez druhého nezaobíde.“ Toto silné spojenie umožňuje materiálu ukázať svoju silu v častiach leteckých motorov a ultraľahkých rámoch karosérií a dokonca začína spochybňovať územie titánových zliatin.
2. Čínska múdrosť: kúzlo „osádzania“ keramiky
Najväčším problémom tlače z aluminovej keramiky je zmršťovanie pri spekaní – predstavte si, že by ste opatrne miesili hlinenú figúrku a tá sa po vložení do pece zmenšila na veľkosť zemiaka. Ako veľmi by sa zrútila? Začiatkom roka 2024 tím profesora Su Haijuna na Northwestern Polytechnical University v časopise Journal of Materials Science & Technology publikoval výsledky, ktoré šokovali celý priemysel: získali takmer nulové zmršťovacie jadro z aluminovej keramiky s mierou zmršťovania iba 0,3 %.
Tajomstvo spočíva v pridaníhliníkový prášokna oxid hlinitý a potom zahrať presnú „atmosférickú mágiu“.
Pridanie hliníkového prášku: Do keramickej suspenzie primiešajte 15 % jemného hliníkového prášku
Kontrola atmosféry: Na začiatku spekania použite ochranu argónovým plynom, aby ste zabránili oxidácii hliníkového prášku.
Inteligentné prepínanie: Keď teplota stúpne na 1400 °C, náhle prepnite atmosféru na vzduch
Oxidácia in situ: Hliníkový prášok sa okamžite roztaví do kvapôčok a oxiduje na oxid hlinitý a objemová expanzia kompenzuje kontrakciu.
3. Revolúcia spojív: hliníkový prášok sa mení na „neviditeľné lepidlo“
Zatiaľ čo ruské a čínske tímy usilovne pracujú na modifikácii prášku, potichu sa objavila ďalšia technická cesta – použitie hliníkového prášku ako spojiva. Tradičná keramika3D tlačSpojivá sú väčšinou organické živice, ktoré pri spaľovaní počas odmasťovania zanechávajú dutiny. Patent domáceho tímu z roku 2023 používa iný prístup: výrobu spojiva na vodnej báze z hliníkového prášku47.
Počas tlače tryska presne nastrieka „lepidlo“ obsahujúce 50 – 70 % hliníkového prášku na vrstvu oxidu hlinitého. Vo fáze odmasťovania sa nasáva vákuum, prepúšťa kyslík a hliníkový prášok sa pri teplote 200 – 800 °C oxiduje na oxid hlinitý. Charakteristická objemová expanzia viac ako 20 % umožňuje aktívne vypĺňanie pórov a znižovanie miery zmršťovania na menej ako 5 %. „Je to ako rozobrať lešenie a zároveň postaviť novú stenu, čím si vyplníte vlastné diery!“ opísal to istý inžinier takto.
4. Umenie častíc: víťazstvo sférického prášku
„Vzhľad“ práškového oxidu hlinitého sa nečakane stal kľúčom k prelomovým objavom – tento vzhľad sa vzťahuje na tvar častíc. Štúdia v časopise „Open Ceramics“ v roku 2024 porovnávala výkonnosť sférických a nepravidelných práškov oxidu hlinitého pri tlači metódou taveného nanášania (CF³)5:
Sférický prášok: tečie ako jemný piesok, miera plnenia presahuje 60 % a tlač je hladká a hodvábna
Nepravidelný prášok: prilepený ako hrubý cukor, viskozita je 40-krát vyššia a tryska je zablokovaná, čo pochybuje o životnosti
Ešte lepšie je, že hustota dielov potlačených sférickým práškom po spekaní ľahko presahuje 89 % a povrchová úprava priamo spĺňa štandard. „Kto ešte dnes používa „škaredý“ prášok? Tekutosť je bojová účinnosť!“ Technik sa usmial a uzavrel.
Budúcnosť: Hviezdy a moria existujú vedľa seba s malými a krásnymi
Revolúcia 3D tlače práškového oxidu hlinitého zďaleka neskončila. Vojenský priemysel sa ujal vedenia v používaní jadier s takmer nulovým zmršťovaním na výrobu lopatiek turbodúchadlov; biomedicínska oblasť si obľúbila jeho biokompatibilitu a začala tlačiť kostné implantáty na mieru; elektronický priemysel sa zameral na substráty na odvod tepla – tepelná vodivosť a neelektrická vodivosť oxidu hlinitého sú koniec koncov nenahraditeľné.