Doorbraak in aluminiumoxidepoeder in 3D-printmaterialen
Bij binnenkomst in het laboratorium van de Northwestern Polytechnical University, een lichtuithardende3D-printer Het zoemt lichtjes en de laserstraal beweegt nauwkeurig door de keramische slurry. Slechts een paar uur later is een keramische kern met een complexe structuur, vergelijkbaar met een doolhof, volledig zichtbaar – deze zal worden gebruikt om de turbinebladen van vliegtuigmotoren te gieten. Professor Su Haijun, die het project leidt, wees naar het delicate onderdeel en zei: "Drie jaar geleden durfden we niet eens aan zulke precisie te denken. De belangrijkste doorbraak zit verborgen in dit onopvallende aluminiumoxidepoeder."
Vroeger was aluminiumoxidekeramiek een soort ‘probleemstudent’ op het gebied van3D-printen– hoge sterkte, hoge temperatuurbestendigheid, goede isolatie, maar toen het eenmaal geprint was, had het veel problemen. Bij traditionele processen heeft aluminiumoxidepoeder een slechte vloeibaarheid en blokkeert het vaak de printkop; de krimp tijdens het sinteren kan oplopen tot 15%-20%, en de onderdelen die met grote moeite geprint zijn, zullen vervormen en scheuren zodra ze verbrand zijn; complexe structuren? Het is nog meer een luxe. Ingenieurs maken zich zorgen: "Dit ding is als een koppige kunstenaar, met wilde ideeën, maar te weinig handen."
1. Russische formule: “Keramisch pantser” op dealuminiummatrix
Het keerpunt kwam eerst door de revolutie in materiaalontwerp. In 2020 kondigden materiaalkundigen van de Russische Nationale Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NUST MISIS) een baanbrekende technologie aan. In plaats van simpelweg aluminiumoxidepoeder te mengen, plaatsten ze aluminiumpoeder met een hoge zuiverheidsgraad in een autoclaaf en gebruikten hydrothermische oxidatie om een laag aluminiumoxide met een nauwkeurig regelbare dikte op het oppervlak van elk aluminiumdeeltje te laten "groeien", net als het aanbrengen van een laag nano-pantser op de aluminiumbol. Dit poeder met "kern-schilstructuur" vertoont verbluffende prestaties tijdens laser-3D-printen (SLM-technologie): de hardheid is 40% hoger dan die van zuiver aluminium en de stabiliteit bij hoge temperaturen is aanzienlijk verbeterd, waardoor het direct voldoet aan de eisen voor de luchtvaart.
Professor Alexander Gromov, de projectleider, maakte een treffende vergelijking: "Vroeger waren composietmaterialen als salades – elk had zijn eigen bedrijf; onze poeders zijn als sandwiches – aluminium en alumina bijten elkaar laag voor laag, en geen van beide kan zonder de ander." Deze sterke koppeling stelt het materiaal in staat zijn kwaliteiten te tonen in vliegtuigmotoronderdelen en ultralichte carrosserieën, en begint zelfs het terrein van titaniumlegeringen te verkennen.
2. Chinese wijsheid: de magie van het ‘zetten’ van keramiek
Het grootste pijnpunt bij het printen van aluminiumoxidekeramiek is de krimp bij sinteren – stel je voor dat je een kleifiguurtje zorgvuldig kneedt en het krimpt tot de grootte van een aardappel zodra het de oven in gaat. Hoe ver zou het dan instorten? Begin 2024 publiceerden professor Su Haijun en zijn team van Northwestern Polytechnical University in het Journal of Materials Science & Technology de resultaten die de industrie opschudden: ze kregen een vrijwel krimpvrije aluminiumoxidekeramiekkern met een krimppercentage van slechts 0,3%.
Het geheim is om toe te voegenaluminiumpoedertot aluminiumoxide en vervolgens een nauwkeurige “sfeermagie” uitvoeren.
Voeg aluminiumpoeder toe: Meng 15% fijn aluminiumpoeder in de keramische slurry
Controleer de atmosfeer: Gebruik argongasbescherming aan het begin van het sinteren om te voorkomen dat aluminiumpoeder oxideert
Slim schakelen: Wanneer de temperatuur stijgt tot 1400°C, schakelt de atmosfeer plotseling over naar lucht
In-situ oxidatie: aluminiumpoeder smelt onmiddellijk in druppels en oxideert tot aluminiumoxide, waarbij de volume-uitzetting de krimp compenseert
3. Bindmiddelrevolutie: aluminiumpoeder verandert in “onzichtbare lijm”
Terwijl de Russische en Chinese teams hard werken aan poedermodificatie, is er stilletjes een andere technische route ontstaan: het gebruik van aluminiumpoeder als bindmiddel. Traditioneel keramiek3D-printenBindmiddelen zijn meestal organische harsen, die holtes achterlaten bij verbranding tijdens het ontvetten. Een Amerikaans patent uit 2023 hanteert een andere aanpak: aluminiumpoeder omzetten in een bindmiddel op waterbasis47.
Tijdens het printen spuit de nozzle nauwkeurig "lijm" met 50-70% aluminiumpoeder op de aluminiumoxidepoederlaag. Tijdens de ontvettingsfase wordt vacuüm getrokken en zuurstof doorgelaten, waarna het aluminiumpoeder bij 200-800 °C wordt geoxideerd tot aluminiumoxide. De volume-expansie van meer dan 20% zorgt ervoor dat de poriën actief worden gevuld en de krimp wordt teruggebracht tot minder dan 5%. "Het is alsof je de steiger afbreekt en tegelijkertijd een nieuwe muur bouwt, en je eigen gaten vult!", zo beschreef een ingenieur het.
4. De kunst van deeltjes: de overwinning van bolvormig poeder
Het "uiterlijk" van aluminiumoxidepoeder is onverwacht de sleutel tot doorbraken geworden – dit uiterlijk verwijst naar de vorm van de deeltjes. Een studie in het tijdschrift "Open Ceramics" uit 2024 vergeleek de prestaties van bolvormige en onregelmatige aluminiumoxidepoeders bij gesmolten depositie (CF³) printen5:
Bolvormig poeder: vloeit als fijn zand, het vulpercentage is hoger dan 60% en de bedrukking is glad en zijdeachtig
Onregelmatig poeder: vastgelopen als grove suiker, de viscositeit is 40 keer hoger en het mondstuk is verstopt om de levensduur te twijfelen
Sterker nog, de dichtheid van de met bolvormig poeder geprinte onderdelen overschrijdt na het sinteren gemakkelijk de 89%, en de oppervlakteafwerking voldoet direct aan de norm. "Wie gebruikt er tegenwoordig nog 'lelijk' poeder? Vloeibaarheid is gevechtskracht!" Een technicus glimlachte en concludeerde: 5.
Toekomst: Sterren en zeeën bestaan samen met kleine en mooie
De 3D-printrevolutie met aluminiumoxidepoeder is nog lang niet voorbij. De militaire industrie heeft het voortouw genomen in de toepassing van kernen met vrijwel geen krimp voor de productie van turbofanbladen; de biomedische sector heeft de biocompatibiliteit ervan omarmd en is begonnen met het printen van op maat gemaakte botimplantaten; de elektronica-industrie richt zich op warmteafvoerende substraten – de thermische geleidbaarheid en niet-elektrische geleidbaarheid van aluminiumoxide zijn immers onvervangbaar.