פריצת דרך בתחום אבקת אלומינה בחומרי הדפסה תלת-ממדית
נכנסים למעבדה של האוניברסיטה הפוליטכנית הצפון-מערבית, מעבדה המתמחה בריפוי אורמדפסת תלת-ממד מזמזם קלות, וקורת הלייזר נעה במדויק בתוך התרחיף הקרמי. רק כמה שעות לאחר מכן, מוצגת במלואה ליבה קרמית בעלת מבנה מורכב כמו מבוך – היא תשמש ליציקת להבי הטורבינה של מנועי מטוסים. פרופסור סו הייג'ון, האחראי על הפרויקט, הצביע על הרכיב העדין ואמר: "לפני שלוש שנים, לא העזנו אפילו לחשוב על דיוק כזה. פריצת הדרך המרכזית חבויה באבקת אלומינה בלתי בולטת זו."
פעם, קרמיקה מאלומינה הייתה כמו "סטודנט בעייתי" בתחום ה...הדפסה תלת-ממדית– חוזק גבוה, עמידות לטמפרטורות גבוהות, בידוד טוב, אך לאחר ההדפסה היו לה הרבה בעיות. בתהליכים מסורתיים, לאבקת אלומינה יש נוזליות ירודה ולעתים קרובות חוסמת את ראש ההדפסה; קצב ההתכווצות במהלך הסינטר יכול להגיע עד 15%-20%, והחלקים שהודפסו במאמץ רב יתעוותו ויסדקו ברגע שיישרף; מבנים מורכבים? זה אפילו יותר מותרות. מהנדסים מודאגים: "הדבר הזה הוא כמו אמן עקשן, עם רעיונות פרועים אבל לא מספיק ידיים."
1. נוסחה רוסית: הנחת "שריון קרמי" על האֲלוּמִינְיוּםמַטרִיצָה
נקודת המפנה הגיעה לראשונה מהמהפכה בתכנון חומרים. בשנת 2020, מדעני חומרים מהאוניברסיטה הלאומית למדע וטכנולוגיה (NUST MISIS) של רוסיה הכריזו על טכנולוגיה פורצת דרך. במקום פשוט לערבב אבקת אלומיניום תחמוצת, הם הכניסו אבקת אלומיניום בעלת טוהר גבוה לאוטוקלב והשתמשו בחמצון הידרותרמי כדי "לגדל" שכבה של סרט תחמוצת אלומיניום בעובי נשלט במדויק על פני השטח של כל חלקיק אלומיניום, בדיוק כמו הנחת שכבת שריון ברמה ננומטרית על כדור האלומיניום. אבקת "מבנה הליבה-קליפה" הזו מציגה ביצועים מדהימים במהלך הדפסת תלת-ממד בלייזר (טכנולוגיית SLM): הקשיות גבוהה ב-40% מזו של חומרי אלומיניום טהורים, והיציבות בטמפרטורה גבוהה משופרת מאוד, ועומדת ישירות בדרישות ברמה של תעופה.
פרופסור אלכסנדר גרומוב, ראש הפרויקט, יצר אנלוגיה חיה: "בעבר, חומרים מרוכבים היו כמו סלטים - כל אחד היה אחראי על ענייניו; האבקות שלנו הן כמו כריכים - אלומיניום ואלומינה נוגסים זה בזה שכבה אחר שכבה, ואף אחד מהם לא יכול להסתדר בלי השני." צימוד חזק זה מאפשר לחומר להראות את יכולותיו בחלקי מנועי מטוסים ובמסגרות גוף קלות במיוחד, ואף מתחיל לאתגר את טריטוריית סגסוגות הטיטניום.
2. חוכמה סינית: קסם ה"שיבוץ" של קרמיקה
נקודת הכאב הגדולה ביותר בהדפסה קרמית מאלומינה היא הצטמקות סינטור - דמיינו שלישתם בזהירות דמות חרס, והיא התכווצה לגודל של תפוח אדמה ברגע שהיא נכנסה לתנור. כמה היא תקרוס? בתחילת 2024, התוצאות שפורסמו על ידי צוותו של פרופסור סו הייג'ון באוניברסיטה הפוליטכנית הצפון-מערבית בכתב העת Journal of Materials Science & Technology הניעו את התעשייה: הם קיבלו ליבת קרמית מאלומינה כמעט ללא הצטמקות עם שיעור הצטמקות של 0.3% בלבד.
הסוד הוא להוסיףאבקת אלומיניוםלאלומינה ואז לנגן "קסם אווירה" מדויק.
הוספת אבקת אלומיניום: ערבבו 15% של אבקת אלומיניום דקה לתוך תרחיף הקרמיקה.
שלוט באטמוספירה: השתמש בהגנה מפני גז ארגון בתחילת הסינטר כדי למנוע חמצון של אבקת אלומיניום.
מיתוג חכם: כאשר הטמפרטורה עולה ל-1400 מעלות צלזיוס, העברת פתאומית של האטמוספירה לאוויר
חמצון במקום: אבקת אלומיניום נמסה באופן מיידי לטיפות ומתחמצנת לתחמוצת אלומיניום, והתפשטות הנפח מקזזת את ההתכווצות.
3. מהפכת הקלסרים: אבקת אלומיניום הופכת ל"דבק בלתי נראה"
בעוד שהצוותים הרוסים והסינים עובדים במרץ על שינוי אבקה, מסלול טכני נוסף התפתח בשקט - שימוש באבקת אלומיניום כמקשר.הדפסה תלת-ממדיתחומרי הקשירה הם בעיקר שרפים אורגניים, אשר ישאירו חללים בעת שריפה במהלך הסרת שומנים. פטנט של קבוצה מקומית משנת 2023 נוקט בגישה שונה: הפיכת אבקת אלומיניום לקלסר על בסיס מים47.
במהלך ההדפסה, הפיה מרססת במדויק "דבק" המכיל 50-70% אבקת אלומיניום על שכבת אבקת תחמוצת האלומיניום. בשלב הסרת השומנים, נשאבים ואקום ומעבירים דרכו חמצן, ואבקת האלומיניום מתחמצנת לתחמוצת אלומיניום בטמפרטורה של 200-800 מעלות צלזיוס. המאפיין של התפשטות נפחית של יותר מ-20% מאפשר לה למלא באופן פעיל את הנקבוביות ולהפחית את קצב ההתכווצות לפחות מ-5%. "זה שווה ערך לפירוק הפיגומים ולבניית קיר חדש בו זמנית, תוך מילוי החורים שלך!" תיאר זאת מהנדס כך.
4. אמנות החלקיקים: ניצחונה של האבקה הכדורית
"המראה" של אבקת אלומינה הפך באופן בלתי צפוי למפתח לפריצות דרך - מראה זה מתייחס לצורת החלקיק. מחקר שפורסם בכתב העת "Open Ceramics" בשנת 2024 השווה את ביצועי אבקות אלומינה כדוריות ולא סדירות בהדפסה בצורת התכה (CF³)5:
אבקה כדורית: זורמת כמו חול דק, קצב המילוי עולה על 60%, וההדפסה חלקה ומשיי.
אבקה לא סדירה: תקועה כמו סוכר גס, הצמיגות גבוהה פי 40, והזרבובית חסומה כדי לפקפק בחיים
יתרה מזאת, צפיפות החלקים המודפסים על ידי אבקה כדורית עולה בקלות על 89% לאחר סינטור, וגימור פני השטח עומד ישירות בתקן. "מי עדיין משתמש באבקה 'מכוערת' עכשיו? נזילות היא יעילות קרבית!" טכנאי חייך וסיכם.
עתיד: כוכבים וימים מתקיימים יחד עם קטנים ויפים
מהפכת הדפסת התלת-ממד של אבקת אלומינה רחוקה מלהסתיים. התעשייה הצבאית הובילה ביישום ליבות כמעט ללא הצטמקות לייצור להבי טורבו-מאוורר; התחום הביו-רפואי התעניין בתאימות הביולוגית שלה והחל להדפיס שתלי עצם בהתאמה אישית; תעשיית האלקטרוניקה התמקדה במצעים לפיזור חום - אחרי הכל, המוליכות התרמית והמוליכות הלא-חשמלית של אלומינה הן חיוניות.