Alumina hautsaren aurrerapena 3D inprimaketa materialetan
Northwestern Unibertsitate Politeknikoko laborategira sartzean, argi-sendatzeko makina bat3D inprimagailua burrunba txiki bat egiten ari da, eta laser izpia zehaztasunez mugitzen ari da zeramikazko lohian. Ordu batzuk geroago, labirinto baten antzeko egitura konplexua duen zeramikazko nukleo bat aurkeztu da guztiz – hegazkinen motorren turbina-palak galdaketa egiteko erabiliko da. Proiektuaren arduraduna den Su Haijun irakasleak osagai delikatuari seinalatu eta esan zuen: “Duela hiru urte, ez ginen ausartzen zehaztasun horretan pentsatzera ere. Aurrerapen nagusia alumina hauts diskretu honetan ezkutatuta dago”.
Bazen behin, alumina zeramikak "arazo-ikasle" baten antzekoak ziren arloan3D inprimaketa– erresistentzia handia, tenperatura altuarekiko erresistentzia, isolamendu ona, baina inprimatu ondoren, arazo asko zituen. Prozesu tradizionaletan, alumina hautsak jariakortasun eskasa du eta askotan inprimatze-burua blokeatzen du; sinterizazioan uzkurtze-tasa % 15-% 20koa izan daiteke, eta ahalegin handiz inprimatutako piezak deformatu eta pitzatu egingo dira erretzen direnean; egitura konplexuak? Are luxu handiagoa da. Ingeniariak kezkatuta daude: “Gauza hau artista burugogor baten antzekoa da, ideia basatiekin baina esku nahikorik gabe”.
1. Errusiar formula: “Zeramikazko armadura” jartzeaaluminioamatrizea
Inflexio-puntua lehenik materialen diseinuaren iraultzak eman zuen. 2020an, Errusiako Zientzia eta Teknologia Unibertsitate Nazionaleko (NUST MISIS) materialen zientzialariek teknologia iraultzaile bat iragarri zuten. Aluminio oxido hautsa nahastu beharrean, purutasun handiko aluminio hautsa autoklabe batean sartu zuten eta oxidazio hidrotermalaren bidez aluminio oxido film geruza bat "hazte" zuten aluminio partikula bakoitzaren gainazalean, nano mailako armadura geruza bat aluminiozko bolan jartzea bezala. "Nukleo-oskola egitura" hauts honek errendimendu harrigarria erakusten du laser bidezko 3D inprimaketan (SLM teknologia): gogortasuna aluminiozko materialen % 40 handiagoa da, eta tenperatura altuko egonkortasuna asko hobetzen da, hegazkintzako mailako eskakizunak zuzenean betez.
Alexander Gromov irakasleak, proiektuaren buruak, analogia bizia egin zuen: «Iraganean, material konposatuak entsaladak bezalakoak ziren: bakoitza bere negozioaren arduraduna zen; gure hautsak ogitartekoak bezalakoak dira: aluminioak eta alumina elkarri geruzaz geruza hozka egiten diote, eta biek ezin dute bestea gabe moldatu». Akoplamendu sendo honek materialari hegazkinen motorren piezetan eta karrozeria ultraarinaren markoetan bere trebetasuna erakusteko aukera ematen dio, eta titaniozko aleazioen lurraldeari erronka egiten ere hasten da.
2. Txinako jakinduria: zeramika “jartzearen” magia
Alumina zeramikako inprimaketaren arazo larriena sinterizazioaren uzkurdura da: imajinatu buztinezko irudi bat arretaz oratzen duzula, eta labean sartu bezain laster patata baten tamainara uzkurtzen dela. Zenbat eroriko litzateke? 2024 hasieran, Su Haijun irakaslearen taldeak Northwestern Polytechnical University-n Journal of Materials Science & Technology aldizkarian argitaratutako emaitzek industria abiarazi zuten: ia zero uzkurdurako alumina zeramikazko nukleo bat lortu zuten, % 0,3ko uzkurdura-tasarekin soilik.
Sekretua gehitzea da.aluminio hautsaaluminara eta gero “atmosfera-magia” zehatza jo.
Gehitu aluminio hautsa: Nahastu aluminio hauts finaren % 15 zeramikazko nahasketan
Kontrolatu atmosfera: Erabili argon gas babesa sinterizazioaren hasieran aluminio hautsa oxidatzea saihesteko.
Aldaketa adimenduna: Tenperatura 1400 °C-ra igotzen denean, bat-batean aldatu atmosfera airera
In situ oxidazioa: aluminio hautsa berehala urtzen da tantatan eta aluminio oxido bihurtzen da oxidazio gisa, eta bolumenaren hedapenak uzkurdura konpentsatzen du.
3. Lotura-iraultza: aluminio-hautsa “kola ikusezin” bihurtzen da
Errusiako eta Txinako taldeak hauts-modifikazioan gogor lanean ari diren bitartean, beste bide tekniko bat heldu da isilean: aluminio-hautsa aglutinatzaile gisa erabiltzea. Zeramika tradizionala3D inprimaketaAglutinatzaileak gehienbat erretxina organikoak dira, eta koipegabetzean barrunbeak utziko dituzte erretzean. Bertako talde baten 2023ko patenteak ikuspegi desberdina hartzen du: aluminio hautsa uretan oinarritutako aglutinatzaile bihurtzea47.
Inprimatzean, toberak zehaztasunez ihinztatzen du % 50-70eko aluminio hautsa duen “kola” aluminio oxido hauts geruzan. Koipegabetze fasera iristen denean, hutsean sartzen da eta oxigenoa pasatzen da, eta aluminio hautsa aluminio oxido bihurtzen da 200-800 °C-tan. % 20tik gorako bolumen-hedapenaren ezaugarriak poroak aktiboki betetzen ditu eta uzkurtze-tasa % 5etik behera murrizten du. “Aldamioa desmuntatu eta horma berri bat eraikitzearen baliokidea da, aldi berean zuloak betez!”, ingeniari batek honela deskribatu zuen.
4. Partikulen artea: hauts esferikoaren garaipena
Alumina hautsaren “itxura” ustekabean aurrerapenen gakoa bihurtu da – itxura horrek partikulen formari egiten dio erreferentzia. 2024an “Open Ceramics” aldizkarian argitaratutako ikerketa batek alumina hauts esferiko eta irregularren errendimendua alderatu zuen urtutako deposizio bidezko (CF³) inprimaketan5:
Hauts esferikoa: harea finaren antzera isurtzen da, betetze-tasa % 60tik gorakoa da eta inprimaketa leuna eta zetatsua da
Hauts irregularra: azukre lodiaren antzera itsatsita, biskositatea 40 aldiz handiagoa da, eta tobera blokeatuta dago bizitza zalantzan jartzeko
Are hobeto, hauts esferikoarekin inprimatutako piezen dentsitatea %89tik gorakoa da erraz sinterizatu ondoren, eta gainazaleko akaberak zuzenean betetzen du estandarra. «Nork erabiltzen du oraindik hauts “itsusia”? Fluiditatea borrokarako eraginkortasuna da!», teknikari batek irribarre egin eta ondorioztatu zuen5.
Etorkizuna: Izarrak eta itsasoak txiki eta ederrekin batera bizi dira
Alumina hautsaren 3D inprimaketaren iraultza ez dago amaitzetik urrun. Industria militarrak lidergoa hartu du ia zero uzkurdura duten nukleoak turbofan palak fabrikatzeko erabiltzen; arlo biomedikoak haren biobateragarritasuna aztertu du eta hezur-inplante pertsonalizatuak inprimatzen hasi da; elektronika industriak beroa xahutzeko substratuak hartu ditu jomugan – azken finean, aluminaren eroankortasun termikoa eta eroankortasun ez-elektrikoa ordezkaezinak dira.