Przełom w produkcji materiałów do druku 3D dzięki zastosowaniu proszku tlenku glinu
Wchodząc do laboratorium Uniwersytetu Politechnicznego Northwestern, światłoutwardzalnaDrukarka 3D Cicho brzęczy, a wiązka lasera precyzyjnie porusza się w ceramicznej zawiesinie. Zaledwie kilka godzin później ceramiczny rdzeń o złożonej strukturze przypominającej labirynt zostaje w pełni zaprezentowany – posłuży do odlewania łopatek turbin silników lotniczych. Profesor Su Haijun, kierujący projektem, wskazując na delikatny element, powiedział: „Trzy lata temu nie śmieliśmy nawet myśleć o takiej precyzji. Kluczowy przełom kryje się w tym niepozornym proszku tlenku glinu”.
Kiedyś ceramika glinowa była czymś w rodzaju „trudnego studenta” w dziedzinieDrukowanie 3D– wysoka wytrzymałość, odporność na wysokie temperatury, dobra izolacja, ale po wydrukowaniu pojawiało się wiele problemów. W tradycyjnych procesach proszek tlenku glinu ma słabą płynność i często blokuje głowicę drukującą; skurcz podczas spiekania może sięgać nawet 15-20%, a elementy drukowane z dużym wysiłkiem odkształcają się i pękają natychmiast po wypaleniu; skomplikowane struktury? To jeszcze większy luksus. Inżynierowie są zaniepokojeni: „To jak uparty artysta, z szalonymi pomysłami, ale za małą ilością rąk do pracy”.
1. Formuła rosyjska: Nakładanie „ceramicznego pancerza” naaluminiummatryca
Przełom nastąpił po raz pierwszy wraz z rewolucją w projektowaniu materiałów. W 2020 roku materiałoznawcy z Narodowego Uniwersytetu Nauki i Technologii (NUST MISIS) w Rosji ogłosili przełomową technologię. Zamiast po prostu mieszać proszek tlenku glinu, umieścili go w autoklawie i za pomocą utleniania hydrotermalnego „wyhodowali” warstwę tlenku glinu o precyzyjnie kontrolowanej grubości na powierzchni każdej cząstki aluminium, podobnie jak nakładanie warstwy pancerza nanometrycznego na aluminiową kulkę. Ten proszek o „strukturze rdzenia i powłoki” wykazuje niesamowite właściwości podczas laserowego druku 3D (technologia SLM): twardość jest o 40% wyższa niż w przypadku czystego aluminium, a stabilność w wysokich temperaturach jest znacznie poprawiona, co bezpośrednio spełnia wymagania klasy lotniczej.
Profesor Aleksander Gromow, kierownik projektu, przedstawił sugestywną analogię: „W przeszłości materiały kompozytowe były jak sałatki – każda z nich zajmowała się swoimi sprawami; nasze proszki są jak kanapki – aluminium i tlenek glinu wgryzają się w siebie warstwa po warstwie i żadna z nich nie może obejść się bez drugiej”. To silne sprzężenie pozwala materiałowi wykazać się swoją skutecznością w częściach silników lotniczych i ultralekkich ramach nadwozi, a nawet zaczyna konkurować ze stopami tytanu.
2. Chińska mądrość: magia „ustawiania” ceramiki
Największym problemem druku ceramicznego z tlenku glinu jest skurcz spiekany – wyobraź sobie, że starannie ugniatasz glinianą figurkę, a ona kurczy się do rozmiarów ziemniaka zaraz po włożeniu do pieca. Jak bardzo by się zapadła? Na początku 2024 roku wyniki opublikowane przez zespół profesora Su Haijuna z Northwestern Polytechnical University w czasopiśmie „Journal of Materials Science & Technology” zapoczątkowały branżę: uzyskali rdzeń z tlenku glinu o niemal zerowym skurczu, ze współczynnikiem skurczu wynoszącym zaledwie 0,3%.
Sekret tkwi w dodaniuproszek aluminiowydo tlenku glinu, a następnie odegrać precyzyjną „magię atmosfery”.
Dodaj proszek aluminiowy: Wymieszaj 15% drobnego proszku aluminiowego z zawiesiną ceramiczną
Kontroluj atmosferę: na początku spiekania stosuj ochronę gazową w postaci argonu, aby zapobiec utlenianiu się proszku aluminiowego
Inteligentne przełączanie: Gdy temperatura wzrośnie do 1400°C, następuje nagła zmiana atmosfery na powietrze
Utlenianie in-situ: Proszek aluminiowy natychmiast topi się w kropelki i utlenia do tlenku glinu, a rozszerzanie objętości kompensuje kurczenie się
3. Rewolucja w spoiwach: proszek aluminiowy zmienia się w „niewidzialny klej”
Podczas gdy rosyjskie i chińskie zespoły intensywnie pracują nad modyfikacją proszku, po cichu dojrzewała inna techniczna droga – wykorzystanie proszku aluminiowego jako spoiwa. Tradycyjna ceramikaDrukowanie 3DSpoiwa to głównie żywice organiczne, które po spaleniu podczas odtłuszczania pozostawiają wgłębienia. Patent krajowego zespołu z 2023 roku przedstawia inne podejście: przekształcenie proszku aluminiowego w spoiwo na bazie wody47.
Podczas drukowania dysza precyzyjnie rozpyla „klej” zawierający 50-70% proszku aluminiowego na warstwę tlenku glinu. Na etapie odtłuszczania wytwarzana jest próżnia i przepuszczany jest tlen, a proszek aluminiowy utlenia się do tlenku glinu w temperaturze 200-800°C. Charakterystyka rozszerzalności objętościowej o ponad 20% pozwala na aktywne wypełnianie porów i zmniejszenie skurczu do mniej niż 5%. „To tak, jakby zdemontować rusztowanie i jednocześnie zbudować nową ścianę, wypełniając własne otwory!” – opisał to jeden z inżynierów.
4. Sztuka cząsteczek: zwycięstwo proszku sferycznego
„Wygląd” proszku tlenku glinu niespodziewanie stał się kluczem do przełomów – wygląd ten odnosi się do kształtu cząstek. W badaniu opublikowanym w czasopiśmie „Open Ceramics” w 2024 roku porównano wydajność sferycznych i nieregularnych proszków tlenku glinu w druku metodą osadzania topionego materiału (CF³)5:
Proszek sferyczny: płynie jak drobny piasek, stopień wypełnienia przekracza 60%, a nadruk jest gładki i jedwabisty
Nieregularny proszek: przyklejony jak gruby cukier, lepkość jest 40 razy wyższa, a dysza jest zablokowana, co podważa żywotność
Co więcej, gęstość części drukowanych z proszku sferycznego z łatwością przekracza 89% po spiekaniu, a wykończenie powierzchni spełnia standardy. „Kto jeszcze używa „brzydkiego” proszku? Płynność to skuteczność w walce!” – uśmiechnął się technik i podsumował.
Przyszłość: Gwiazdy i morza współistnieją z tym, co małe i piękne
Rewolucja w druku 3D z wykorzystaniem proszku tlenku glinu jest daleka od zakończenia. Przemysł zbrojeniowy objął prowadzenie w stosowaniu rdzeni o niemal zerowym skurczu do produkcji łopatek turbowentylatorów; sektor biomedyczny docenił jego biokompatybilność i zaczął drukować spersonalizowane implanty kostne; przemysł elektroniczny skupił się na podłożach odprowadzających ciepło – w końcu przewodnictwo cieplne i przewodnictwo nieelektryczne tlenku glinu są niezastąpione.