Průlom práškového oxidu hlinitého v oblasti materiálů pro 3D tisk
Vchod do laboratoře Northwestern Polytechnical University, světlem vytvrzované3D tiskárna tiše bzučí a laserový paprsek se přesně pohybuje v keramické suspenzi. Jen o několik hodin později je keramické jádro se složitou strukturou připomínající bludiště plně představeno – bude použito k odlévání lopatek turbín leteckých motorů. Profesor Su Haijun, který má projekt na starosti, ukázal na křehkou součástku a řekl: „Před třemi lety jsme se o takové přesnosti ani neodvážili pomyslet. Klíčový průlom se skrývá v tomto nenápadném prášku oxidu hlinitého.“
Kdysi dávno byla aluminová keramika v oblasti... jako „problémový student“3D tisk– vysoká pevnost, odolnost vůči vysokým teplotám, dobrá izolace, ale jakmile byl materiál vytištěn, měl mnoho problémů. Při tradičních procesech má oxid hlinitý špatnou tekutost a často blokuje tiskovou hlavu; míra smrštění během slinování může dosáhnout až 15–20 % a díly, které byly vytištěny s velkým úsilím, se po vypálení deformují a praskají; složité struktury? Je to ještě větší luxus. Inženýři jsou znepokojeni: „Tahle věc je jako tvrdohlavý umělec s divokými nápady, ale nedostatkem rukou.“
1. Ruský vzorec: Nasazení „keramického pancíře“ nahliníkmatice
Zlomový bod poprvé přišel s revolucí v materiálovém designu. V roce 2020 vědci zabývající se materiály z ruské Národní univerzity vědy a techniky (NUST MISIS) oznámili průlomovou technologii. Místo pouhého smíchání práškového oxidu hlinitého vložili vysoce čistý hliníkový prášek do autoklávu a pomocí hydrotermální oxidace „vypěstovali“ vrstvu filmu oxidu hlinitého s přesně kontrolovatelnou tloušťkou na povrchu každé hliníkové částice, podobně jako by se na hliníkovou kouli nanášela vrstva nanoúrovňového pancíře. Tento prášek s „jádrovou strukturou“ vykazuje úžasný výkon při laserovém 3D tisku (technologie SLM): tvrdost je o 40 % vyšší než u čistých hliníkových materiálů a vysokoteplotní stabilita je výrazně zlepšena, což přímo splňuje požadavky letecké třídy.
Profesor Alexander Gromov, vedoucí projektu, uvedl názornou analogii: „V minulosti byly kompozitní materiály jako saláty – každý z nich měl na starosti svou vlastní záležitost; naše prášky jsou jako sendviče – hliník a oxid hlinitý se do sebe vrstvu po vrstvě zakousávají a ani jeden se bez druhého neobejde.“ Toto silné spojení umožňuje materiálu ukázat jeho schopnosti v součástech leteckých motorů a ultralehkých rámech karoserií a dokonce začíná zpochybňovat území titanových slitin.
2. Čínská moudrost: kouzlo „zasazování“ keramiky
Největším problémem tisku z aluminové keramiky je smrštění při spékání – představte si, že byste pečlivě hnětli hliněnou figurku a ta se po vložení do pece smrští na velikost brambory. Jak moc by se zhroutila? Začátkem roku 2024 tým profesora Su Haijuna z Northwestern Polytechnical University publikoval v časopise Journal of Materials Science & Technology výsledky, které šokovaly celý obor: získali keramické jádro z aluminy s téměř nulovým smrštěním a mírou smrštění pouhých 0,3 %.
Tajemství spočívá v přidáníhliníkový prášekna oxid hlinitý a poté zahrát přesnou „atmosférickou magii“.
Přidání hliníkového prášku: Do keramické suspenze vmíchejte 15 % jemného hliníkového prášku
Kontrola atmosféry: Na začátku slinování použijte ochranu argonovým plynem, abyste zabránili oxidaci hliníkového prášku.
Inteligentní přepínání: Když teplota stoupne na 1400 °C, náhle přepněte atmosféru na vzduch
Oxidace in situ: Hliníkový prášek se okamžitě roztaví do kapiček a oxiduje na oxid hlinitý, přičemž objemová expanze kompenzuje kontrakci.
3. Revoluce pojiv: hliníkový prášek se mění v „neviditelné lepidlo“
Zatímco ruské a čínské týmy usilovně pracují na modifikaci prášku, tiše se objevila další technická cesta – použití hliníkového prášku jako pojiva. Tradiční keramika3D tiskPojiva jsou většinou organické pryskyřice, které při spalování během odmašťování zanechávají dutiny. Patent jednoho domácího týmu z roku 2023 volí jiný přístup: výrobu hliníkového prášku na pojivo na vodní bázi47.
Během tisku tryska přesně stříká „lepidlo“ obsahující 50–70 % hliníkového prášku na vrstvu oxidu hlinitého. Ve fázi odmašťování se nasává vakuum a propouští kyslík, přičemž hliníkový prášek se při teplotě 200–800 °C oxiduje na oxid hlinitý. Charakteristická objemová expanze o více než 20 % umožňuje aktivně vyplňovat póry a snižovat míru smrštění na méně než 5 %. „Je to ekvivalentní demontáži lešení a zároveň stavbě nové zdi, která si vyplní vlastní díry!“ popsal to jeden inženýr takto.
4. Umění částic: vítězství sférického prášku
„Vzhled“ práškového oxidu hlinitého se nečekaně stal klíčem k průlomům – tento vzhled se vztahuje k tvaru částic. Studie v časopise „Open Ceramics“ z roku 2024 porovnávala výkonnost sférických a nepravidelných prášků oxidu hlinitého při tisku metodou tavené depozice (CF³)5:
Sférický prášek: teče jako jemný písek, míra plnění přesahuje 60 % a tisk je hladký a hedvábný
Nepravidelný prášek: přilepený jako hrubý cukr, viskozita je 40krát vyšší a tryska je zablokovaná, což pochybuje o životnosti
Ještě lepší je, že hustota dílů potištěných sférickým práškem po slinování snadno přesahuje 89 % a povrchová úprava přímo splňuje standard. „Kdo dnes ještě používá „ošklivý“ prášek? Tekutost je bojová účinnost!“ Technik se usmál a uzavřel.
Budoucnost: Hvězdy a moře existují vedle malého a krásného
Revoluce 3D tisku z práškového oxidu hlinitého zdaleka nekončí. Vojenský průmysl se ujal vedení v používání jader s téměř nulovým smrštěním k výrobě lopatek turbodmychadel; biomedicína si oblíbila jeho biokompatibilitu a začala tisknout kostní implantáty na míru; elektronický průmysl se zaměřil na substráty pro odvod tepla – koneckonců tepelná vodivost a neelektrická vodivost oxidu hlinitého jsou nenahraditelné.