پیشرفت چشمگیر پودر آلومینا در مواد چاپ سه بعدی
یک دستگاه لایت کیورینگ وارد آزمایشگاه دانشگاه پلی‌تکنیک نورث وسترن شد.چاپگر سه بعدی کمی وزوز می‌کند و پرتو لیزر دقیقاً در دوغاب سرامیکی حرکت می‌کند. تنها چند ساعت بعد، یک هسته سرامیکی با ساختار پیچیده‌ای مانند هزارتو به طور کامل ارائه می‌شود - از آن برای ریخته‌گری پره‌های توربین موتورهای هواپیما استفاده خواهد شد. پروفسور سو هایجون، مسئول این پروژه، به این قطعه ظریف اشاره کرد و گفت: «سه سال پیش، ما حتی جرات فکر کردن به چنین دقتی را نداشتیم. موفقیت کلیدی در این پودر آلومینای نامحسوس پنهان است.»
روزگاری، سرامیک‌های آلومینا مانند یک «دانش‌آموز مشکل‌ساز» در زمینه ... بودند.چاپ سه‌بعدی– استحکام بالا، مقاومت در برابر دمای بالا، عایق خوب، اما پس از چاپ، مشکلات زیادی داشت. در فرآیندهای سنتی، پودر آلومینا سیالیت ضعیفی دارد و اغلب سر چاپ را مسدود می‌کند؛ میزان انقباض در طول پخت می‌تواند به ۱۵٪ تا ۲۰٪ برسد و قطعاتی که با تلاش زیاد چاپ شده‌اند، به محض سوختن تغییر شکل داده و ترک می‌خورند. سازه‌های پیچیده؟ این حتی بیشتر یک کالای لوکس است. مهندسان نگران هستند: «این چیز مانند یک هنرمند سرسخت است، با ایده‌های جسورانه اما دست‌های کافی ندارد.»
۱. فرمول روسی: قرار دادن «زره سرامیکی» رویآلومینیومماتریس
نقطه عطف ابتدا از انقلاب در طراحی مواد ناشی شد. در سال ۲۰۲۰، دانشمندان مواد از دانشگاه ملی علوم و فناوری (NUST MISIS) روسیه از یک فناوری نوآورانه خبر دادند. آنها به جای مخلوط کردن ساده پودر اکسید آلومینیوم، پودر آلومینیوم با خلوص بالا را در یک اتوکلاو قرار دادند و از اکسیداسیون هیدروترمال برای "رشد" لایه‌ای از فیلم اکسید آلومینیوم با ضخامت دقیقاً قابل کنترل روی سطح هر ذره آلومینیوم استفاده کردند، درست مانند قرار دادن یک لایه زره در سطح نانو روی توپ آلومینیومی. این پودر "ساختار هسته-پوسته" عملکرد شگفت‌انگیزی را در طول چاپ سه‌بعدی لیزری (فناوری SLM) نشان می‌دهد: سختی آن ۴۰٪ بیشتر از مواد آلومینیومی خالص است و پایداری در دمای بالا تا حد زیادی بهبود یافته است و مستقیماً الزامات درجه هوانوردی را برآورده می‌کند.
پروفسور الکساندر گروموف، رهبر پروژه، قیاس واضحی ارائه داد: «در گذشته، مواد کامپوزیت مانند سالاد بودند - هر کدام مسئول کار خود بودند؛ پودرهای ما مانند ساندویچ هستند - آلومینیوم و آلومینا لایه به لایه یکدیگر را می‌جوند و هیچ‌کدام بدون دیگری نمی‌توانند کار کنند.» این اتصال قوی به این ماده اجازه می‌دهد تا مهارت خود را در قطعات موتور هواپیما و قاب‌های بدنه فوق سبک نشان دهد و حتی شروع به چالش کشیدن قلمرو آلیاژهای تیتانیوم می‌کند.
۲. حکمت چینی: جادوی «چیدمان» سرامیک‌ها
بزرگترین نقطه ضعف چاپ سرامیک آلومینا، انقباض پخت است - تصور کنید که یک مجسمه سفالی را با دقت ورز داده‌اید و به محض ورود به فر به اندازه یک سیب‌زمینی کوچک می‌شود. چقدر از هم می‌پاشد؟ در اوایل سال 2024، نتایج منتشر شده توسط تیم پروفسور سو هایجون در دانشگاه پلی‌تکنیک نورث وسترن در مجله علوم و فناوری مواد، صنعت را متحول کرد: آنها یک هسته سرامیکی آلومینا با انقباض تقریباً صفر با نرخ انقباض تنها 0.3٪ به دست آوردند.
راز این است که اضافه کنیدپودر آلومینیومبه آلومینا و سپس یک «جادوی اتمسفر» دقیق.
پودر آلومینیوم اضافه کنید: 15٪ پودر آلومینیوم ریز را با دوغاب سرامیکی مخلوط کنید.
کنترل اتمسفر: در ابتدای پخت از گاز آرگون برای محافظت در برابر اکسیداسیون پودر آلومینیوم استفاده کنید.
سوئیچینگ هوشمند: وقتی دما به ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد افزایش می‌یابد، ناگهان جو را به هوا تغییر دهید
اکسیداسیون درجا: پودر آلومینیوم فوراً به قطرات ذوب شده و به اکسید آلومینیوم اکسید می‌شود و انبساط حجم، انقباض را جبران می‌کند.
۳. انقلاب چسب: پودر آلومینیوم به «چسب نامرئی» تبدیل می‌شود
در حالی که تیم‌های روسی و چینی سخت در حال کار بر روی اصلاح پودر هستند، یک مسیر فنی دیگر بی‌سروصدا در حال تکامل است - استفاده از پودر آلومینیوم به عنوان چسب. سرامیک سنتیچاپ سه‌بعدیچسب‌ها عمدتاً رزین‌های آلی هستند که هنگام سوختن در حین چربی‌زدایی، حفره‌هایی ایجاد می‌کنند. ثبت اختراع یک تیم داخلی در سال 2023 رویکرد متفاوتی را در پیش می‌گیرد: تبدیل پودر آلومینیوم به یک چسب پایه آب47.
در طول چاپ، نازل با دقت "چسب" حاوی 50 تا 70 درصد پودر آلومینیوم را روی لایه پودر اکسید آلومینیوم اسپری می‌کند. وقتی به مرحله چربی‌زدایی می‌رسد، خلاء ایجاد شده و اکسیژن عبور داده می‌شود و پودر آلومینیوم در دمای 200 تا 800 درجه سانتیگراد به اکسید آلومینیوم اکسید می‌شود. ویژگی انبساط حجمی بیش از 20 درصد به آن اجازه می‌دهد تا به طور فعال منافذ را پر کند و میزان انقباض را به کمتر از 5 درصد کاهش دهد. یکی از مهندسان این را اینگونه توصیف کرد: "این معادل برچیدن داربست و ساخت یک دیوار جدید به طور همزمان و پر کردن سوراخ‌های خودتان است!"
۴. هنر ذرات: پیروزی پودر کروی
«ظاهر» پودر آلومینا به طور غیرمنتظره‌ای به کلید پیشرفت‌ها تبدیل شده است - این ظاهر به شکل ذرات اشاره دارد. مطالعه‌ای در مجله «سرامیک‌های باز» در سال 2024، عملکرد پودرهای آلومینای کروی و نامنظم را در چاپ رسوب ذوب‌شده (CF³) مقایسه کرد5:
پودر کروی: مانند شن ریز جریان می‌یابد، میزان پر شدن بیش از 60٪ است و چاپ صاف و ابریشمی است.
پودر نامنظم: مانند شکر درشت چسبیده است، ویسکوزیته 40 برابر بیشتر است و نازل مسدود شده است تا به عمر آن شک شود
حتی بهتر از آن، چگالی قطعات چاپ شده با پودر کروی به راحتی پس از پخت از ۸۹٪ فراتر می‌رود و سطح نهایی مستقیماً با استاندارد مطابقت دارد. یکی از تکنسین‌ها لبخندی زد و نتیجه گرفت: «چه کسی هنوز از پودر «زشت» استفاده می‌کند؟ سیالیت، اثربخشی جنگی است!»
آینده: ستارگان و دریاها با موجودات کوچک و زیبا همزیستی دارند
انقلاب چاپ سه‌بعدی پودر آلومینا هنوز به پایان نرسیده است. صنایع نظامی در استفاده از هسته‌های با انقباض نزدیک به صفر برای ساخت پره‌های توربوفن پیشگام بوده‌اند؛ حوزه زیست‌پزشکی به زیست‌سازگاری آن توجه کرده و شروع به چاپ ایمپلنت‌های استخوانی سفارشی کرده است؛ صنعت الکترونیک بسترهای اتلاف گرما را هدف قرار داده است - گذشته از همه اینها، رسانایی حرارتی و رسانایی غیرالکتریکی آلومینا غیرقابل جایگزین هستند.