Arloesedd arloesol powdr alwmina mewn deunyddiau argraffu 3D
Wrth gerdded i mewn i labordy Prifysgol Polytechnig y Gogledd-orllewin, peiriant halltu golauArgraffydd 3D yn hymian ychydig, ac mae'r trawst laser yn symud yn fanwl gywir yn y slyri ceramig. Ychydig oriau'n ddiweddarach, mae craidd ceramig gyda strwythur cymhleth fel drysfa wedi'i gyflwyno'n llawn - bydd yn cael ei ddefnyddio i gastio llafnau tyrbin peiriannau awyrennau. Pwyntiodd yr Athro Su Haijun, sy'n gyfrifol am y prosiect, at y gydran fregus a dywedodd: "Dair blynedd yn ôl, ni feiddiom hyd yn oed feddwl am gywirdeb o'r fath. Mae'r datblygiad allweddol wedi'i guddio yn y powdr alwmina anamlwg hwn."
Ar un adeg, roedd cerameg alwmina fel “myfyriwr problemus” ym maesArgraffu 3D– cryfder uchel, ymwrthedd tymheredd uchel, inswleiddio da, ond unwaith iddo gael ei argraffu, roedd ganddo lawer o broblemau. O dan brosesau traddodiadol, mae gan bowdr alwmina hylifedd gwael ac yn aml mae'n blocio'r pen print; gall y gyfradd crebachu yn ystod sinteru fod mor uchel â 15%-20%, a bydd y rhannau a argraffwyd gyda llawer o ymdrech yn anffurfio ac yn cracio cyn gynted ag y cânt eu llosgi; strwythurau cymhleth? Mae hyd yn oed yn fwy o foethusrwydd. Mae peirianwyr yn poeni: “Mae'r peth hwn fel artist ystyfnig, gyda syniadau gwyllt ond dim digon o ddwylo.”
1. Fformiwla Rwsiaidd: Rhoi “arfwisg seramig” ar yalwminiwmmatrics
Daeth y trobwynt cyntaf o'r chwyldro mewn dylunio deunyddiau. Yn 2020, cyhoeddodd gwyddonwyr deunyddiau o Brifysgol Genedlaethol Gwyddoniaeth a Thechnoleg (NUST MISIS) Rwsia dechnoleg chwyldroadol. Yn lle cymysgu powdr alwminiwm ocsid yn unig, fe wnaethant roi powdr alwminiwm purdeb uchel mewn awtoclaf a defnyddio ocsidiad hydrothermol i "dyfu" haen o ffilm alwminiwm ocsid gyda thrwch y gellir ei reoli'n fanwl gywir ar wyneb pob gronyn alwminiwm, yn union fel rhoi haen o arfwisg nano-lefel ar y bêl alwminiwm. Mae'r powdr "strwythur craidd-gragen" hwn yn dangos perfformiad anhygoel yn ystod argraffu 3D laser (technoleg SLM): mae'r caledwch 40% yn uwch na chaledwch deunyddiau alwminiwm pur, ac mae'r sefydlogrwydd tymheredd uchel wedi'i wella'n fawr, gan fodloni gofynion gradd awyrenneg yn uniongyrchol.
Gwnaeth yr Athro Alexander Gromov, arweinydd y prosiect, gymhariaeth fywiog: “Yn y gorffennol, roedd deunyddiau cyfansawdd fel saladau – roedd pob un yn gyfrifol am ei fusnes ei hun; mae ein powdrau fel brechdanau – mae alwminiwm ac alwmina yn brathu ei gilydd haen wrth haen, ac ni all y naill na’r llall wneud heb y llall.” Mae’r cyplu cryf hwn yn caniatáu i’r deunydd ddangos ei allu mewn rhannau injan awyrennau a fframiau corff ysgafn iawn, a hyd yn oed yn dechrau herio tiriogaeth aloion titaniwm.
2. Doethineb Tsieineaidd: hud “gosod” cerameg
Y pwynt poen mwyaf wrth argraffu cerameg alwmina yw crebachu sinteru – dychmygwch eich bod wedi tylino ffigur clai yn ofalus, a'i fod wedi crebachu i faint tatws cyn gynted ag y byddai'n mynd i mewn i'r popty. Faint fyddai'n cwympo? Yn gynnar yn 2024, sbardunodd y canlyniadau a gyhoeddwyd gan dîm yr Athro Su Haijun ym Mhrifysgol Polytechnical Northwestern yn y Journal of Materials Science & Technology y diwydiant: cawsant graidd cerameg alwmina bron yn sero crebachu gyda chyfradd crebachu o ddim ond 0.3%.
Y gyfrinach yw ychwanegupowdr alwminiwmi alwmina ac yna chwarae “hud awyrgylch” manwl gywir.
Ychwanegu powdr alwminiwm: Cymysgwch 15% o bowdr alwminiwm mân i'r slyri ceramig
Rheoli'r atmosffer: Defnyddiwch amddiffyniad nwy argon ar ddechrau sinteru i atal powdr alwminiwm rhag ocsideiddio
Newid clyfar: Pan fydd y tymheredd yn codi i 1400°C, newidiwch yr atmosffer i aer yn sydyn
Ocsidiad in-situ: Mae powdr alwminiwm yn toddi ar unwaith yn ddiferion ac yn ocsideiddio i alwminiwm ocsid, ac mae ehangu cyfaint yn gwrthbwyso crebachiad
3. Chwyldro rhwymwyr: mae powdr alwminiwm yn troi'n “glud anweledig”
Tra bod y timau Rwsiaidd a Tsieineaidd yn gweithio'n galed ar addasu powdr, mae llwybr technegol arall wedi aeddfedu'n dawel - defnyddio powdr alwminiwm fel rhwymwr. Cerameg draddodiadolArgraffu 3DMae rhwymwyr yn resinau organig yn bennaf, a fydd yn gadael ceudodau wrth eu llosgi yn ystod dadfrasteru. Mae patent tîm domestig yn 2023 yn cymryd dull gwahanol: gwneud powdr alwminiwm yn rhwymwr sy'n seiliedig ar ddŵr47.
Yn ystod yr argraffu, mae'r ffroenell yn chwistrellu "glud" yn gywir sy'n cynnwys 50-70% o bowdr alwminiwm ar yr haen bowdr alwminiwm ocsid. Pan ddaw i'r cam dadfrasteru, tynnir gwactod ac mae ocsigen yn cael ei basio drwodd, ac mae'r powdr alwminiwm yn cael ei ocsideiddio i alwminiwm ocsid ar 200-800°C. Mae'r nodwedd o ehangu cyfaint o fwy nag 20% yn caniatáu iddo lenwi'r mandyllau'n weithredol a lleihau'r gyfradd crebachu i lai na 5%. "Mae'n cyfateb i ddatgymalu'r sgaffaldiau ac adeiladu wal newydd ar yr un pryd, gan lenwi eich tyllau eich hun!" disgrifiodd peiriannydd ef fel hyn.
4. Celfyddyd gronynnau: buddugoliaeth powdr sfferig
Mae “ymddangosiad” powdr alwmina wedi dod yn allweddol i ddatblygiadau arloesol yn annisgwyl – mae’r ymddangosiad hwn yn cyfeirio at siâp y gronyn. Cymharodd astudiaeth yn y cyfnodolyn “Open Ceramics” yn 2024 berfformiad powdrau alwmina sfferig ac afreolaidd mewn argraffu dyddodiad hasiedig (CF³)5:
Powdr sfferig: yn llifo fel tywod mân, mae'r gyfradd llenwi yn fwy na 60%, ac mae'r argraffu yn llyfn ac yn sidanaidd
Powdr afreolaidd: yn sownd fel siwgr bras, mae'r gludedd 40 gwaith yn uwch, ac mae'r ffroenell wedi'i rhwystro i amau bywyd
Yn well fyth, mae dwysedd y rhannau a argraffwyd gan bowdr sfferig yn rhwydd yn fwy na 89% ar ôl sintro, ac mae'r gorffeniad arwyneb yn cwrdd â'r safon yn uniongyrchol. “Pwy sy'n dal i ddefnyddio powdr “hyll” nawr? Hylifedd yw effeithiolrwydd ymladd!” Gwenodd technegydd a daeth i'r casgliad5.
Dyfodol: Mae sêr a moroedd yn cydfodoli â bach a hardd
Mae chwyldro argraffu 3D powdr alwmina ymhell o fod ar ben. Mae'r diwydiant milwrol wedi cymryd yr awenau wrth gymhwyso creiddiau crebachu bron yn sero i gynhyrchu llafnau turbofan; mae'r maes biofeddygol wedi rhoi sylw i'w fiogydnawsedd ac wedi dechrau argraffu mewnblaniadau esgyrn wedi'u haddasu; mae'r diwydiant electroneg wedi targedu swbstradau afradu gwres - wedi'r cyfan, mae dargludedd thermol a dargludedd an-drydanol alwmina yn anhepgor.