3D ప్రింటింగ్ మెటీరియల్స్లో అల్యూమినా పౌడర్ పురోగతి
నార్త్వెస్టర్న్ పాలిటెక్నికల్ యూనివర్శిటీ ప్రయోగశాలలోకి నడుస్తూ, ఒక లైట్-క్యూరింగ్3D ప్రింటర్ నెమ్మదిగా சேரிப்பும் శబ్దం చేస్తూ, లేజర్ కిరణపుంజం సిరామిక్ స్లర్రీలో కచ్చితంగా కదులుతోంది. కేవలం కొన్ని గంటల తర్వాత, ఒక చిక్కుముడిలాంటి సంక్లిష్టమైన నిర్మాణం గల సిరామిక్ కోర్ పూర్తిగా సిద్ధమైంది – దీనిని విమాన ఇంజిన్ల టర్బైన్ బ్లేడ్లను పోత పోయడానికి ఉపయోగిస్తారు. ఈ ప్రాజెక్టుకు బాధ్యత వహిస్తున్న ప్రొఫెసర్ సు హైజున్, ఆ సున్నితమైన భాగాన్ని చూపిస్తూ ఇలా అన్నారు: “మూడేళ్ల క్రితం, ఇంతటి కచ్చితత్వం గురించి ఆలోచించడానికి కూడా మేము సాహసించలేదు. ఈ కంటికి కనపడని అల్యూమినా పౌడర్లోనే కీలకమైన పురోగతి దాగి ఉంది.”
ఒకప్పుడు, అల్యూమినా సిరామిక్స్ ఈ రంగంలో ఒక “సమస్యాత్మక విద్యార్థి” లాగా ఉండేవి.3D ప్రింటింగ్– అధిక బలం, అధిక ఉష్ణోగ్రత నిరోధకత, మంచి ఇన్సులేషన్ ఉన్నాయి, కానీ ఒకసారి ప్రింట్ చేశాక, దానికి చాలా సమస్యలు ఎదురయ్యాయి. సాంప్రదాయ పద్ధతులలో, అల్యూమినా పౌడర్కు ద్రవత్వం తక్కువగా ఉండి, తరచుగా ప్రింట్ హెడ్ను అడ్డుకుంటుంది; సింటరింగ్ సమయంలో సంకోచ రేటు 15%-20% వరకు ఉండవచ్చు, మరియు ఎంతో శ్రమతో ప్రింట్ చేసిన భాగాలు కాలిన వెంటనే వక్రీకరించి, పగుళ్లు ఏర్పడతాయి; ఇక సంక్లిష్టమైన నిర్మాణాల విషయానికొస్తే? అది మరింత అసాధ్యం. ఇంజనీర్లు ఆందోళన చెందుతున్నారు: “ఈ వస్తువు, విపరీతమైన ఆలోచనలు ఉండి, వాటిని ఆచరణలో పెట్టడానికి సరిపడా చేతులు లేని ఒక మొండి కళాకారుడి లాంటిది.”
1. రష్యన్ ఫార్ములా: "సిరామిక్ కవచం" ఉంచడంఅల్యూమినియంమాత్రిక
మెటీరియల్ డిజైన్లో వచ్చిన విప్లవం నుండే మొదటి మలుపు వచ్చింది. 2020లో, రష్యాలోని నేషనల్ యూనివర్శిటీ ఆఫ్ సైన్స్ అండ్ టెక్నాలజీ (NUST MISIS)కి చెందిన మెటీరియల్ శాస్త్రవేత్తలు ఒక విప్లవాత్మక సాంకేతికతను ప్రకటించారు. కేవలం అల్యూమినియం ఆక్సైడ్ పౌడర్ను కలపడానికి బదులుగా, వారు అధిక స్వచ్ఛత గల అల్యూమినియం పౌడర్ను ఒక ఆటోక్లేవ్లో ఉంచి, హైడ్రోథర్మల్ ఆక్సీకరణను ఉపయోగించి, అల్యూమినియం బంతిపై నానో-స్థాయి కవచపు పొరను వేసినట్లుగా, ప్రతి అల్యూమినియం కణం యొక్క ఉపరితలంపై కచ్చితంగా నియంత్రించగల మందంతో అల్యూమినియం ఆక్సైడ్ ఫిల్మ్ పొరను "పెంచారు". ఈ "కోర్-షెల్ నిర్మాణం" గల పౌడర్ లేజర్ 3D ప్రింటింగ్ (SLM టెక్నాలజీ) సమయంలో అద్భుతమైన పనితీరును కనబరుస్తుంది: దీని కాఠిన్యం స్వచ్ఛమైన అల్యూమినియం పదార్థాల కంటే 40% ఎక్కువ, మరియు అధిక-ఉష్ణోగ్రత స్థిరత్వం బాగా మెరుగుపడి, నేరుగా ఏవియేషన్-గ్రేడ్ అవసరాలను తీరుస్తుంది.
ప్రాజెక్ట్ లీడర్ అయిన ప్రొఫెసర్ అలెగ్జాండర్ గ్రోమోవ్ ఒక స్పష్టమైన ఉపమానాన్ని చెప్పారు: “గతంలో, మిశ్రమ పదార్థాలు సలాడ్లలా ఉండేవి – ప్రతి ఒక్కటీ దాని పని అది చూసుకునేది; మా పౌడర్లు శాండ్విచ్ల వంటివి – అల్యూమినియం మరియు అల్యూమినా పొరలు పొరలుగా ఒకదానిపై ఒకటి పెనవేసుకుంటాయి, మరియు ఒకటి లేకుండా మరొకటి ఉండలేదు.” ఈ బలమైన అనుసంధానం, విమాన ఇంజిన్ భాగాలలో మరియు అతి తేలికైన బాడీ ఫ్రేమ్లలో ఈ పదార్థం తన సత్తాను చాటుకోవడానికి వీలు కల్పిస్తుంది, అంతేకాకుండా టైటానియం మిశ్రమాల ఆధిపత్యాన్ని కూడా సవాలు చేయడం ప్రారంభిస్తుంది.
2. చైనీస్ జ్ఞానం: సిరామిక్స్ను "అమర్చడం" వెనుక ఉన్న మాయాజాలం
అల్యూమినా సిరామిక్ ప్రింటింగ్లో అతిపెద్ద సమస్య సింటరింగ్ సంకోచం – ఉదాహరణకు, మీరు ఒక మట్టి బొమ్మను జాగ్రత్తగా పిసికి, ఓవెన్లో పెట్టిన వెంటనే అది బంగాళాదుంప పరిమాణానికి సంకోచించిందని ఊహించుకోండి. అది ఎంతగా కుంచించుకుపోతుంది? 2024 ప్రారంభంలో, నార్త్వెస్టర్న్ పాలిటెక్నికల్ యూనివర్శిటీలోని ప్రొఫెసర్ సు హైజున్ బృందం 'జర్నల్ ఆఫ్ మెటీరియల్స్ సైన్స్ & టెక్నాలజీ'లో ప్రచురించిన ఫలితాలు ఈ పరిశ్రమలో సంచలనం సృష్టించాయి: వారు కేవలం 0.3% సంకోచ రేటుతో, దాదాపు సున్నా-సంకోచం గల అల్యూమినా సిరామిక్ కోర్ను సాధించారు.
జోడించడమే రహస్యంఅల్యూమినియం పొడిఅల్యూమినాకు మరియు ఆ తర్వాత ఖచ్చితమైన “వాతావరణ మాయాజాలం” ప్రదర్శించడం.
అల్యూమినియం పొడిని కలపండి: సిరామిక్ స్లర్రీలో 15% సూక్ష్మ అల్యూమినియం పొడిని కలపండి.
వాతావరణాన్ని నియంత్రించండి: అల్యూమినియం పొడి ఆక్సీకరణ చెందకుండా నిరోధించడానికి సింటరింగ్ ప్రారంభంలో ఆర్గాన్ వాయు రక్షణను ఉపయోగించండి.
స్మార్ట్ స్విచింగ్: ఉష్ణోగ్రత 1400°C కి పెరిగినప్పుడు, వాతావరణాన్ని అకస్మాత్తుగా గాలికి మార్చండి
ఇన్-సిటు ఆక్సీకరణ: అల్యూమినియం పొడి తక్షణమే బిందువులుగా కరిగి, అల్యూమినియం ఆక్సైడ్గా ఆక్సీకరణ చెందుతుంది మరియు ఘనపరిమాణ వ్యాకోచం సంకోచాన్ని సమతుల్యం చేస్తుంది.
3. బైండర్ విప్లవం: అల్యూమినియం పొడి “కనిపించని జిగురు”గా మారుతుంది
రష్యా, చైనా జట్లు పౌడర్ మార్పుపై తీవ్రంగా కృషి చేస్తుండగా, బైండర్గా అల్యూమినియం పౌడర్ను ఉపయోగించే మరో సాంకేతిక మార్గం నిశ్శబ్దంగా అభివృద్ధి చెందింది. సాంప్రదాయ సిరామిక్3D ప్రింటింగ్బైండర్లు ఎక్కువగా సేంద్రీయ రెసిన్లు, ఇవి డీగ్రీజింగ్ సమయంలో కాలిపోయినప్పుడు కుహరాలను వదిలివేస్తాయి. ఒక దేశీయ బృందం యొక్క 2023 పేటెంట్ భిన్నమైన విధానాన్ని తీసుకుంటుంది: అల్యూమినియం పొడిని నీటి ఆధారిత బైండర్గా మార్చడం47.
ముద్రణ సమయంలో, నాజిల్ 50-70% అల్యూమినియం పౌడర్ను కలిగి ఉన్న "జిగురు"ను అల్యూమినియం ఆక్సైడ్ పౌడర్ పొరపై ఖచ్చితంగా స్ప్రే చేస్తుంది. డీగ్రీజింగ్ దశకు వచ్చినప్పుడు, వాక్యూమ్ సృష్టించి ఆక్సిజన్ను లోపలికి పంపిస్తారు, మరియు 200-800°C వద్ద అల్యూమినియం పౌడర్, అల్యూమినియం ఆక్సైడ్గా ఆక్సీకరణం చెందుతుంది. 20% కంటే ఎక్కువ ఘనపరిమాణ వ్యాకోచ లక్షణం కారణంగా, ఇది రంధ్రాలను చురుకుగా నింపి, సంకోచ రేటును 5% కంటే తక్కువకు తగ్గిస్తుంది. "ఇది ఒకేసారి పరంపరను తొలగించి, కొత్త గోడను నిర్మిస్తూ, మన సొంత రంధ్రాలను మనమే పూడ్చుకోవడంతో సమానం!" అని ఒక ఇంజనీర్ దీనిని వర్ణించారు.
4. కణాల కళ: గోళాకార పొడి విజయం
అల్యూమినా పౌడర్ యొక్క "స్వరూపం" ఊహించని విధంగా ఆవిష్కరణలకు కీలకంగా మారింది – ఈ స్వరూపం దాని కణ ఆకారాన్ని సూచిస్తుంది. 2024లో "ఓపెన్ సిరామిక్స్" జర్నల్లో ప్రచురితమైన ఒక అధ్యయనం, ఫ్యూజ్డ్ డిపోజిషన్ (CF³) ప్రింటింగ్లో గోళాకార మరియు క్రమరహిత అల్యూమినా పౌడర్ల పనితీరును పోల్చింది5:
గోళాకారపు పొడి: సన్నని ఇసుకలా ప్రవహిస్తుంది, నింపే రేటు 60% కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది, మరియు ప్రింటింగ్ మృదువుగా మరియు సిల్కీగా ఉంటుంది.
అస్తవ్యస్తమైన పొడి: ముతక చక్కెరలా అంటుకుపోయింది, జిగట 40 రెట్లు ఎక్కువగా ఉంది, మరియు నాజిల్ మూసుకుపోయి దాని జీవితకాలంపై సందేహం కలుగుతోంది.
మరీ ముఖ్యంగా, గోళాకార పౌడర్తో ప్రింట్ చేసిన భాగాల సాంద్రత సింటరింగ్ తర్వాత సులభంగా 89% మించిపోతుంది, మరియు ఉపరితల ముగింపు నేరుగా ప్రమాణానికి అనుగుణంగా ఉంటుంది. “ఇప్పుడు కూడా ‘వికారమైన’ పౌడర్ను ఎవరు వాడుతున్నారు? ద్రవత్వమే పోరాట సామర్థ్యం!” అని ఒక టెక్నీషియన్ నవ్వుతూ ముగించాడు5.
భవిష్యత్తు: నక్షత్రాలు మరియు సముద్రాలు చిన్న మరియు అందమైన వాటితో సహజీవనం చేస్తాయి
అల్యూమినా పౌడర్ యొక్క 3D ప్రింటింగ్ విప్లవం ఇంకా ముగియలేదు. సైనిక పరిశ్రమ టర్బోఫ్యాన్ బ్లేడ్ల తయారీకి దాదాపు సున్నా సంకోచం గల కోర్లను ఉపయోగించడంలో ముందంజలో ఉంది; బయోమెడికల్ రంగం దాని జీవ అనుకూలతను ఇష్టపడి, అనుకూలీకరించిన ఎముక ఇంప్లాంట్లను ప్రింట్ చేయడం ప్రారంభించింది; ఎలక్ట్రానిక్స్ పరిశ్రమ ఉష్ణ వెదజల్లు సబ్స్ట్రేట్లను లక్ష్యంగా చేసుకుంది – ఎందుకంటే, అల్యూమినా యొక్క ఉష్ణ వాహకత మరియు విద్యుత్-రహిత వాహకతకు ప్రత్యామ్నాయం లేదు.