Áttörést ért el az alumínium-oxid por a 3D nyomtatási anyagok terén
Belépve a Northwestern Polytechnic University laboratóriumába, egy fényre kötő3D nyomtató halkan zümmög, és a lézersugár pontosan mozog a kerámia iszapban. Mindössze néhány órával később egy labirintushoz hasonló komplex szerkezetű kerámia magot mutatnak be teljes egészében – ezt fogják repülőgép-hajtóművek turbinalapátjainak öntésére használni. A projektért felelős Su Haijun professzor a kényes alkatrészre mutatott, és azt mondta: „Három évvel ezelőtt még csak gondolni sem mertünk ilyen precizitásra. A kulcsfontosságú áttörés ebben a feltűnésmentes alumínium-oxid porban rejlik.”
Egykor régen az alumínium-oxid kerámiák olyanok voltak, mint egy „problémás diák” a szakterületen3D nyomtatás– nagy szilárdságú, hőálló, jó szigetelő, de nyomtatás után sok problémája akadt. A hagyományos eljárások során az alumínium-oxid por gyenge folyékonysággal rendelkezik, és gyakran eltömíti a nyomtatófejet; a szinterezés során a zsugorodás mértéke akár 15-20% is lehet, és a nagy erőfeszítéssel nyomtatott alkatrészek deformálódnak és megrepednek, amint kiégetik őket; bonyolult szerkezetek? Ez még inkább luxus. A mérnökök aggódnak: „Ez a dolog olyan, mint egy makacs művész, vad ötletekkel, de kevés kézzel.”
1. Orosz formula: „Kerámia páncél” felhelyezése aalumíniummátrix
A fordulópontot először az anyagtervezés forradalmából hozták. 2020-ban az Oroszországi Nemzeti Tudományos és Technológiai Egyetem (NUST MISIS) anyagtudósai bejelentettek egy forradalmi technológiát. Az alumínium-oxid por egyszerű összekeverése helyett nagy tisztaságú alumíniumport helyeztek autoklávba, és hidrotermikus oxidációval „növesztettek” egy pontosan szabályozható vastagságú alumínium-oxid filmréteget az egyes alumíniumrészecskék felületén, akárcsak egy nano-szintű páncélréteg felhelyezése az alumíniumgolyóra. Ez a „mag-héj szerkezetű” por lenyűgöző teljesítményt mutat a lézeres 3D nyomtatás (SLM technológia) során: a keménysége 40%-kal nagyobb, mint a tiszta alumínium anyagoké, és a magas hőmérsékleti stabilitás is jelentősen javult, közvetlenül megfelelve a repülési minőségű követelményeknek.
Alexander Gromov professzor, a projekt vezetője, élénk hasonlatot fogalmazott meg: „A múltban a kompozit anyagok olyanok voltak, mint a saláták – mindegyik a saját dolgával foglalkozott; a poraink olyanok, mint a szendvicsek – az alumínium és az alumínium-oxid rétegről rétegre falják egymást, és egyik sem élhet meg a másik nélkül.” Ez az erős kapcsolat lehetővé teszi az anyag számára, hogy megmutassa képességeit a repülőgép-hajtóművek alkatrészeiben és az ultrakönnyű karosszériavázakban, sőt, még a titánötvözetek területét is kihívások elé állítja.
2. Kínai bölcsesség: a kerámia „rögzítésének” varázsa
Az alumínium-oxid kerámia nyomtatás legnagyobb problémája a szinterelési zsugorodás – képzeljük el, hogy gondosan összegyúrunk egy agyagfigurát, és az amint bekerül a sütőbe, krumpli méretűre zsugorodik. Mennyire omlana össze? 2024 elején Su Haijun professzor és a Northwestern Polytechnical University csapata által a Journal of Materials Science & Technology című folyóiratban publikált eredmények lendületet adtak az iparágnak: egy közel nulla zsugorodású alumínium-oxid kerámia magot kaptak, amelynek zsugorodási aránya mindössze 0,3%.
A titok az, hogy hozzá kell adnialumíniumporalumínium-oxiddá, majd precíz „légkörvarázslatot” végeznek.
Alumíniumpor hozzáadása: Keverjen 15% finom alumíniumport a kerámia szuszpenzióhoz
Szabályozza a légkört: A szinterelés elején argongáz-védelmet használjon az alumíniumpor oxidációjának megakadályozására
Intelligens váltás: Amikor a hőmérséklet eléri az 1400°C-ot, hirtelen váltson át a légkörről a levegőre
In situ oxidáció: Az alumíniumpor azonnal cseppekké olvad és alumínium-oxiddá oxidálódik, a térfogat-tágulás pedig ellensúlyozza az összehúzódást.
3. Kötőanyag-forradalom: az alumíniumpor „láthatatlan ragasztóvá” válik
Miközben az orosz és a kínai csapatok keményen dolgoznak a pormódosításon, egy másik technikai megoldás is csendben kiforrott – az alumíniumpor kötőanyagként való használata. Hagyományos kerámia3D nyomtatásA kötőanyagok többnyire szerves gyanták, amelyek zsírtalanítás során elégetéskor üregeket hagynak maguk után. Egy hazai csapat 2023-as szabadalma más megközelítést alkalmaz: alumíniumport vízbázisú kötőanyaggá alakítanak47.
Nyomtatás közben a fúvóka pontosan permetez 50-70% alumíniumport tartalmazó „ragasztót” az alumínium-oxid porrétegre. A zsírtalanítási szakaszban vákuumot szívnak be és oxigént vezetnek át, majd az alumíniumport 200-800°C-on alumínium-oxiddá oxidálják. A 20%-nál nagyobb térfogat-tágulás lehetővé teszi, hogy aktívan kitöltse a pórusokat, és a zsugorodási arányt 5% alá csökkentse. „Ez egyenértékű az állványzat lebontásával és egy új fal építésével egyidejűleg, a saját lyukak betömésével!” – így írta le egy mérnök.
4. A részecskék művészete: a gömb alakú por győzelme
Az alumínium-oxid por „megjelenése” váratlanul az áttörések kulcsává vált – ez a megjelenés a részecske alakjára utal. Az „Open Ceramics” folyóiratban 2024-ben megjelent tanulmány összehasonlította a gömb alakú és szabálytalan alumínium-oxid porok teljesítményét az olvasztott leválasztásos (CF³) nyomtatásban5:
Gömb alakú por: finom homokhoz hasonlóan áramlik, a töltési arány meghaladja a 60%-ot, a nyomtatás sima és selymes
Szabálytalan por: durva cukorként tapad, a viszkozitás 40-szer nagyobb, és a fúvóka el van dugulva, hogy megkérdőjelezhető legyen az élettartama
Sőt, a gömb alakú porral nyomtatott alkatrészek sűrűsége szinterelés után könnyedén meghaladja a 89%-ot, a felületkezelés pedig közvetlenül megfelel a szabványnak. „Ki használ még ma is „csúnya” port? A folyékonyság a harci hatékonyság kulcsa!” – mosolygott egy technikus, és befejezte.
Jövő: A csillagok és a tengerek együtt élnek a kicsi és szép világgal
Az alumínium-oxid por 3D nyomtatási forradalma korántsem ért véget. A hadiipar vezető szerepet vállalt a közel nulla zsugorodású magok alkalmazásában turbóventilátor-lapátok gyártásához; a biomedicina területén a biokompatibilitás vált jellemzővé, és egyedi csontimplantátumok nyomtatásába kezdett; az elektronikai ipar pedig a hőelvezető hordozókat célozta meg – elvégre az alumínium-oxid hővezető és nem elektromos vezetőképessége pótolhatatlan.