Alumiinijauheen läpimurto 3D-tulostusmateriaaleissa
Kävellessäni Northwestern Polytechnical Universityn laboratorioon, valokovetteinen3D-tulostin humisee hieman, ja lasersäde liikkuu tarkasti keraamisessa lietteessä. Vain muutamaa tuntia myöhemmin monimutkainen, sokkelomainen keraaminen ydin on kokonaisuudessaan esillä – sitä käytetään lentokoneiden moottoreiden turbiinilapojen valamiseen. Projektista vastaava professori Su Haijun osoitti herkkää komponenttia ja sanoi: "Kolme vuotta sitten emme uskaltaneet edes ajatella tällaista tarkkuutta. Keskeinen läpimurto piilee tässä huomaamattomassa alumiinioksidijauheessa."
Olipa kerran alumiinioksidikeramiikka kuin "ongelmaopiskelija" alalla3D-tulostus– korkea lujuus, korkea lämmönkestävyys, hyvä eristys, mutta tulostuksen jälkeen sillä oli paljon ongelmia. Perinteisissä prosesseissa alumiinioksidijauheella on huono juoksevuus ja se usein tukkii tulostuspään; kutistumisnopeus sintrauksen aikana voi olla jopa 15–20 %, ja suurella vaivalla tulostetut osat muuttuvat ja halkeilevat heti palamisen jälkeen; monimutkaiset rakenteet? Se on vieläkin ylellisyyttä. Insinöörit ovat huolissaan: "Tämä on kuin itsepäinen taiteilija, jolla on villejä ideoita, mutta ei tarpeeksi käsiä."
1. Venäläinen kaava: ”Keraamisen panssarin” asettaminenalumiinimatriisi
Käännekohta tuli ensimmäisenä materiaalisuunnittelun vallankumouksesta. Vuonna 2020 Venäjän kansallisen tiede- ja teknologiayliopiston (NUST MISIS) materiaalitieteilijät julkistivat mullistavan teknologian. Alumiinioksidijauheen sekoittamisen sijaan he laittoivat erittäin puhdasta alumiinijauhetta autoklaaviin ja käyttivät hydrotermistä hapetusta "kasvattaakseen" jokaisen alumiinihiukkasen pinnalle tarkasti säädettävän paksuisen alumiinioksidikalvon, aivan kuten alumiinipalloon laitettaisiin nanotason panssarikerros. Tämä "ydin-kuorirakenne" -jauhe osoittaa hämmästyttävää suorituskykyä laser-3D-tulostuksessa (SLM-tekniikka): kovuus on 40 % suurempi kuin puhtailla alumiinimateriaaleilla, ja korkean lämpötilan kestävyys on huomattavasti parempi, mikä täyttää suoraan ilmailuluokan vaatimukset.
Projektin johtaja, professori Alexander Gromov, esitti elävän analogian: ”Aikaisemmin komposiittimateriaalit olivat kuin salaatteja – jokainen hoiti omat asiansa; jauheemme ovat kuin voileipiä – alumiini ja alumiinioksidi purevat toisiaan kerros kerrokselta, eikä kumpikaan voi olla toistaan vailla.” Tämä vahva kytkentä antaa materiaalille mahdollisuuden osoittaa kykynsä lentokoneiden moottorien osissa ja ultrakevyissä korin rungoissa, ja se alkaa jopa haastaa titaaniseosten toiminta-aluetta.
2. Kiinalaista viisautta: keramiikan "kiinnittämisen" taikaa
Alumiinioksidikeraamisen tulostuksen suurin ongelma on sintrauskutistuminen – kuvittele, että vaivaat huolellisesti savihahmoa, ja se kutistuu perunan kokoiseksi heti uuniin mentyään. Kuinka paljon se romahtaisi? Vuoden 2024 alussa professori Su Haijunin tiimi Northwestern Polytechnical Universityssä julkaisi Journal of Materials Science & Technology -lehdessä tulokset, jotka vauhdittivat alan kehitystä: he saivat aikaan lähes kutistumattoman alumiinioksidikeraamisen ytimen, jonka kutistumisaste oli vain 0,3 %.
Salaisuus on lisätäalumiinijauhealumiinioksidiin ja sitten suorittaa tarkan ”ilmakehätaian”.
Lisää alumiinijauhetta: Sekoita 15 % hienoa alumiinijauhetta keraamiseen lietteeseen
Hallitse ilmakehää: Käytä argonkaasusuojausta sintrauksen alussa alumiinijauheen hapettumisen estämiseksi
Älykäs kytkentä: Kun lämpötila nousee 1400 °C:een, vaihda ilmakehä äkillisesti ilmaan
Paikan päällä tapahtuva hapettuminen: Alumiinijauhe sulaa välittömästi pisaroiksi ja hapettuu alumiinioksidiksi, ja tilavuuden laajeneminen kompensoi supistumista
3. Sideainevallankumous: alumiinijauheesta tulee ”näkymätöntä liimaa”
Samalla kun venäläiset ja kiinalaiset tiimit työskentelevät ahkerasti jauheen modifioinnin parissa, toinen tekninen vaihtoehto on hiljaa kypsynyt – alumiinijauheen käyttö sideaineena. Perinteinen keraaminen3D-tulostusSideaineet ovat enimmäkseen orgaanisia hartseja, jotka jättävät reikiä palaessaan rasvanpoiston aikana. Kotimaisen tiimin vuoden 2023 patentti käyttää erilaista lähestymistapaa: alumiinijauheesta tehdään vesipohjaista sideainetta47.
Tulostuksen aikana suutin suihkuttaa tarkasti 50–70 % alumiinijauhetta sisältävää ”liimaa” alumiinioksidijauhekerrokselle. Rasvanpoistovaiheessa imetään tyhjiö ja johdetaan happea, ja alumiinijauhe hapetetaan alumiinioksidiksi 200–800 °C:ssa. Yli 20 %:n tilavuuslaajenemisen ansiosta se täyttää aktiivisesti huokoset ja vähentää kutistumisasteen alle 5 %:iin. ”Se vastaa rakennustelineiden purkamista ja uuden seinän rakentamista samanaikaisesti, täyttäen omat reiät!”, eräs insinööri kuvaili sitä näin.
4. Hiukkasten taide: pallomaisen jauheen voitto
Alumiinioksidijauheen "ulkonäkö" on yllättäen noussut läpimurtojen avaimeksi – tämä ulkonäkö viittaa hiukkasten muotoon. Vuonna 2024 "Open Ceramics" -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa verrattiin pallomaisten ja epäsäännöllisten alumiinioksidijauheiden suorituskykyä sulatetussa laskeutumismenetelmässä (CF³)5:
Pallomainen jauhe: virtaa kuin hieno hiekka, täyttöaste ylittää 60% ja tulostus on sileää ja silkkistä
Epäsäännöllinen jauhe: jumissa kuin karkea sokeri, viskositeetti on 40 kertaa suurempi ja suutin on tukossa epäilläkseen elinkaarta
Vielä parempaa on, että pallomaisella jauheella painettujen osien tiheys ylittää helposti 89 % sintrauksen jälkeen, ja pinnan viimeistely täyttää suoraan standardin. "Kuka enää käyttää "rumaa" jauhetta? Juoksevuus on taistelutehokkuutta!" teknikko hymyili ja päätti.
Tulevaisuus: Tähdet ja meret elävät rinnakkain pienten ja kauniiden kanssa
Alumiinioksidijauheen 3D-tulostusvallankumous on kaikkea muuta kuin ohi. Sotilasteollisuus on ottanut johtoaseman lähes kutistumattomien ytimien käytössä turbotuulettimien lapojen valmistuksessa; biolääketieteen ala on innostunut sen bioyhteensopivuudesta ja alkanut tulostaa räätälöityjä luuimplantteja; elektroniikkateollisuus on kohdistanut painotyönsä lämmönpoistoalustoihin – alumiinioksidin lämmönjohtavuus ja sähkönjohtamattomuus ovat korvaamattomia.