3D басып шығару материалдарындағы алюминий тотығы ұнтағының серпінділігі
Солтүстік-Батыс Политехникалық университетінің зертханасына бару, жарықпен емдеу3D принтер аздап ызылдап жатыр, ал лазер сәулесі керамикалық суспензияда дәл қозғалады. Бірнеше сағаттан кейін лабиринт тәрізді күрделі құрылымы бар керамикалық өзек толығымен ұсынылған - ол ұшақ қозғалтқыштарының турбиналық қалақтарын құю үшін пайдаланылады. Жобаға жауапты профессор Су Хайджун нәзік құрамдас бөлікке нұсқап: "Үш жыл бұрын біз мұндай дәлдік туралы ойлауға да батылдық танытпадық. Негізгі жетістік осы көзге түспейтін глинозем ұнтағында жасырылған", - деді.
Бір кездері алюминий тотығы керамика саласындағы «проблемалық студент» сияқты болды3D басып шығару– жоғары беріктік, жоғары температураға төзімділік, жақсы оқшаулау, бірақ ол басып шығарылғаннан кейін көптеген қиындықтарға тап болды. Дәстүрлі процестерде глинозем ұнтағы нашар өтімділікке ие және жиі басып шығару механизмін блоктайды; агломерация кезінде шөгу жылдамдығы 15%-20% дейін жоғары болуы мүмкін, ал үлкен күшпен басып шығарылған бөлшектер күйген бойда деформацияланып, жарылып кетеді; күрделі құрылымдар? Бұл одан да сән-салтанат. Инженерлер қиналады: «Бұл жабайы идеялары бар, бірақ қолдары жетпейтін қыңыр суретші сияқты».
1. Орысша формула: «керамикалық сауыт» киюалюминийматрица
Бұрылыс ең алдымен материалдық дизайндағы революциядан келді. 2020 жылы Ресейдің Ұлттық ғылым және технология университетінің (NUST MISIS) материалды зерттеушілері бұзатын технологияны жариялады. Алюминий оксиді ұнтағын жай араластырудың орнына, олар автоклавқа жоғары таза алюминий ұнтағын салып, алюминий шарына нано-деңгейлі құрыш қабатын салғандай, әрбір алюминий бөлшектерінің бетінде дәл бақыланатын қалыңдығы бар алюминий тотығы қабықшасының қабатын «өсіру» үшін гидротермиялық тотығуды пайдаланды. Бұл «өзекті-қабық құрылымы» ұнтағы лазерлік 3D басып шығару (SLM технологиясы) кезінде таңғажайып өнімділікті көрсетеді: қаттылық таза алюминий материалдарынан 40% жоғары, ал жоғары температура тұрақтылығы авиациялық талаптарға тікелей жауап беретін айтарлықтай жақсарды.
Профессор Александр Громов, жоба жетекшісі: «Бұрын композициялық материалдар салат сияқты болды - әрқайсысы өз ісін басқарды, біздің ұнтақтарымыз бутерброд сияқты - алюминий мен глинозем бір-бірін қабат-қабат тістейді, ал олардың ешқайсысы екіншісінсіз жасай алмайды». Бұл күшті ілінісу материалға ұшақ қозғалтқышының бөлшектерінде және ультра жеңіл корпус жақтауларында өзінің ерлігін көрсетуге мүмкіндік береді, тіпті титан қорытпаларының аумағына қарсы тұра бастайды.
2. Қытай даналығы: керамиканың «қою» сиқыры
Глиноземді керамикалық басып шығарудың ең ауыр нүктесі агломерацияның шөгуі болып табылады – сіз балшықтан жасалған фигураны мұқият илегеніңізді елестетіп көріңіз және ол пешке кірген бойда картоптың өлшеміне дейін кішірейді. Ол қанша құлдырады? 2024 жылдың басында Солтүстік-Батыс Политехникалық университетінің профессоры Су Хайцзюнь командасы Journal of Materials Science & Technology журналында жариялаған нәтижелер өнеркәсіпті бастады: олар шөгу жылдамдығы небәрі 0,3% болатын нөлге жақын глинозем керамикалық өзегін алды.
Құпиясы - қосуалюминий ұнтағыглиноземге, содан кейін дәл «атмосфералық сиқырды» ойнайды.
Алюминий ұнтағын қосыңыз: 15% жұқа алюминий ұнтағын керамикалық суспензияға араластырыңыз
Атмосфераны бақылау: алюминий ұнтағының тотығуына жол бермеу үшін агломерацияның басында аргон газынан қорғауды пайдаланыңыз
Смарт ауысу: Температура 1400°C дейін көтерілгенде, кенеттен атмосфераны ауаға ауыстырыңыз
In-situ тотығу: алюминий ұнтағы лезде тамшыларға ериді және алюминий оксидіне тотығады, ал көлемнің кеңеюі жиырылуының орнын толтырады.
3. Тұтқыр төңкеріс: алюминий ұнтағы «көрінбейтін желімге» айналады
Ресейлік және қытайлық командалар ұнтақты түрлендіру бойынша көп жұмыс істеп жатқанда, тағы бір техникалық бағыт - байланыстырушы ретінде алюминий ұнтағын пайдалану тынышталды. Дәстүрлі керамика3D басып шығарубайланыстырғыштар негізінен органикалық шайырлар болып табылады, олар майсыздандыру кезінде күйген кезде қуыстар қалдырады. Отандық топтың 2023 жылғы патенті басқа тәсілді қолданады: алюминий ұнтағын су негізіндегі байланыстырғышқа айналдыру47.
Басып шығару кезінде саптама құрамында 50-70% алюминий ұнтағы бар «желімді» алюминий оксиді ұнтағы қабатына дәл шашады. Майсыздандыру кезеңіне келгенде вакуум тартылып, оттегі өтеді, ал алюминий ұнтағы 200-800°С алюминий оксидіне дейін тотығады. 20% -дан астам көлемді кеңейту сипаттамасы оның кеуектерді белсенді түрде толтыруға және шөгу жылдамдығын 5% -дан төмен төмендетуге мүмкіндік береді. «Бұл бір уақытта тіректерді бөлшектеу және жаңа қабырға салу, өз тесіктеріңізді толтырумен тең!» инженер осылай сипаттады.
4. Бөлшектердің өнері: шар тәрізді ұнтақтың жеңісі
Глинозем ұнтағының «сыртқы көрінісі» күтпеген жерден серпілістердің кілтіне айналды - бұл көрініс бөлшектердің пішініне қатысты. 2024 жылы «Open Ceramics» журналындағы зерттеу балқытылған тұндыру (CF³) басып шығарудағы сфералық және тұрақты емес глинозем ұнтақтарының өнімділігін салыстырды5:
Сфералық ұнтақ: майда құм сияқты ағып, толтыру жылдамдығы 60% -дан асады, басып шығару тегіс және жібектей болады
Тұрақты емес ұнтақ: дөрекі қант сияқты жабысады, тұтқырлығы 40 есе жоғары және саптама өмірге күмәндану үшін бітеліп қалады.
Одан да жақсырақ, сфералық ұнтақпен басып шығарылған бөлшектердің тығыздығы агломерациядан кейін 89% -дан оңай асып түседі және беткі қабат стандартқа тікелей сәйкес келеді. «Қазір «ұсқынсыз» ұнтақты кім пайдаланады? Ағымдық - бұл жауынгерлік тиімділік!» Техник күлімсіреп, қорытындылады5.
Болашақ: Жұлдыздар мен теңіздер кішкентай және әдемілермен бірге өмір сүреді
Глинозем ұнтағының 3D басып шығару революциясы әлі аяқталмайды. Әскери өнеркәсіп турбожелдеткіш қалақтарды өндіру үшін нөлге жақын шөгу өзектерін қолдануда жетекші орын алды; биомедициналық сала өзінің биоүйлесімділігіне ұнады және теңшелген сүйек импланттарын басып шығара бастады; электроника өнеркәсібі мақсатты жылуды диссипациялау субстраттарына ие - өйткені глиноземнің жылу өткізгіштігі мен электрлік емес өткізгіштігі алмастырылмайды.