Harbini Tehnikaülikool tegi uue läbimurde teemantprintimise 3D-tehnoloogias

Põhikokkuvõte: Hiljuti pakkus Harbini Tehnikaülikooli professor Zhu Jiaqi välja meetodi embrüo küllastumise täpsuse reguleerimiseks sideainepihustuslisandi tootmisel, mis põhineb kiirel in situ kõvenemisprotsessil.

Allikas: Materjaliteadus ja tehnika

Hiljuti pakkus Harbini Tehnikaülikooli professor Zhu Jiaqi välja meetodi embrüo küllastumise täpsuse reguleerimiseks sideainepihustuslisandite valmistamise protsessis, mis põhineb kiirel in situ kõvenemisprotsessil. Selle meetodi järgi saab realiseerida suure täpsusega/küllastusega embrüo moodustumise ning tugevdada sisemist seost sideaine enda tugevuse ja embrüo tugevuse vahel, mis on väga oluline alusuuringute jaoks. vormimise kvaliteet liimlisandite valmistamise valdkonnas.

Asjakohased saavutused avaldati rahvusvahelises lisaainete tootmise tippajakirjas Additive Manufacturing pealkirjaga "Ületada penetratsiooni – säästa sideainejoaga lisaainete valmistamise kompromissi kiire in situ lõikamise kaudu".

Paberlink: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103157

Uurimistöö taust

Teemant-/metallmaatrikskomposiite peetakse järgmise põlvkonna soojusjuhtimismaterjalideks nende kõrge soojusjuhtivuse ja madala soojuspaisumise tõttu ning neil on suured kasutusvõimalused. Teemandi kõrge kõvaduse tõttu ei ole praegu aga head järeltöötlusmeetodit, nagu poleerimine ja poleerimine, seega on teemant/metallmaatriksi komposiitide peaaegu võrgu moodustamise protsess praeguste uuringute keskmes. Nende hulgas on laialdast tähelepanu äratanud teemant/metallmaatrikskomposiitide 3D-printimise tehnoloogia.

Binder Jetting (BJ) on 3D-printimise tehnoloogia, mis on rakendatav erinevatele materjalidele. Töötlemise käigus sadestatakse sideaine suunatult pulbrikihile, et saada keerulise kolmemõõtmelise struktuuriga embrüo. Sideaine ja pulbri koostoimet mõjutavad vastava tahke-vedeliku süsteemi füüsikalised omadused ja pulbrikihi pooride struktuur, mistõttu on kogu trükiprotsessi täpne kirjeldamine lihtsa füüsikalise mudeliga keeruline. PSTO tõttu on BJ toodetud embrüote suuruse täpsuse ja tugevuse vahel vältimatu vastuolu. Embrüo keha tugevus suureneb efektiivse küllastuse suurenemisega, kuid läbitungimiskauguse suurenemine mõjutab selle suuruse täpsust halvasti. PSTO-st ülesaamiseks keskenduvad teadlased sageli töötlemisparameetrite optimeerimisele (nt pulbri osakeste suurus, kihi paksus või kuivamistingimused). Kuigi teadlased on selles valdkonnas suuri jõupingutusi teinud, ei ole PSTO probleem hästi lahendatud.

Joonis 1 Sideaine sissepritse põhimõtte skemaatiline diagramm

uurimistöö sisu

Selles uuringus töötas uurimisrühm PSTO-st ülesaamiseks välja kiire in situ kõvenemise (liimide kiire kõvenemine trükkimise ajal) liimipihustuslisandi tootmistehnoloogia, mis põhineb ise väljatöötatud akrüülliimil. Puhta vasepulbri kasutamine trükimaterjalina on pannud aluse teemant/vaskkomposiitide lisatootmise uuringutele.

Joonis 2 Kiiresti kõveneva akrüülliimi toimivuse iseloomustus

(a) sideaine TGA ja DSC kõverad, (b) sideaine DSC kõver, (c) erinevatel temperatuuridel kuumutatud TBPBta sideaine FTIR, (d) erinevatel temperatuuridel kuumutatud 2 massiprotsendilise TBPB sideaine FTIR

Joonisel 3 on kujutatud läbitungimiskauguse ja tindipritsi aja vahelist seost. Proovides, mida ei kõvendata kohapeal (liim ei kõvestu trükkimise käigus), sõltub läbitungimiskaugus peamiselt ühe tindipritsi kogusest, mis tindipritsi koguse suurenedes veidi suureneb. Vastupidi, in situ tahkestatud proovides suurenes läbitungimiskaugus tindiprinteri koguse suurenemisega oluliselt.

Joonis 3 Läbilaskvuskauguse, küllastuse ja süstimisaegade vaheline seos

(a) Mitte-in-situ kõvenemine, (b) in situ kõvenemine

Pool-in situ kõvenemise tingimustes (traditsiooniline infrapunalambiga liimi kõvendamise protsess) on läbitungimiskaugus peamiselt seotud ühekihilise liimi koguhulgaga ja läbitungimiskaugus suureneb pihustatud liimi koguse suurenemisega. Kuna iga kihiga seotud küllastus kattub mitmekihilises trükitud proovis, ületab mitmekihilise prinditava proovi küllastus ühekihilise prinditava proovi küllastus. Võrreldes mitte-in situ kõveneva printimismeetodiga on sama küllastusega pool-in situ kõvenemisel väiksem läbitungimiskaugus, mis näitab, et pool-in situ kõvenemine võib teatud määral vähendada läbitungimiskaugust ja ületada PSTO. Ülaltoodud analüüsi põhjal koostati liimide läbitungimismudelid erinevatel protsessidel.

Joonis 4 Infiltratsiooniprotsessi mudeli loomine erinevates protsessides

a) mitte-in situ kõvenemine, b) pool-in situ kõvenemine, c) in situ kõvenemine

Infiltratsioonikauguse ja küllastumise vaheline seos on näidatud joonisel 5. Mitte-situ kõvenemise tingimustes sõltub läbitungimiskaugus peamiselt ühe sideaine sissepritse kogusest ja küllastus suureneb sideaine süstimise arvuga; Konkreetse küllastuse korral on in situ tahkunud trükiproovi läbitungimiskaugus väikseim, mis ületab traditsioonilise BJ toodud PSTO.

Joonis 5 Läbilaskvuse kauguse ja küllastuse vaheline seos

Kokkuvõte ja väljavaade

Selles uuringus töötas uurimisrühm välja metakrülaatliimisüsteemi termilise initsiatsiooni ja kiire kõvenemisega, mis tõestas, et kohapealse kõvenemise tingimused võivad parandada embrüote trükkimise täpsust ja tugevust. Sideainepulbrisüsteemi trükiomaduste määramiseks erinevates trükkimis- ja kõvenemistingimustes viidi läbi ühe- ja mitmekihilised trükikatsed, mis andsid aluse in situ, poolin-situ ja in situ trükkimise füüsiliste mudelite tuletamiseks. . Lisaks arutati erinevate kõvenemistingimustega seotud küllastumise ja läbitungimiskauguse seost. See uuring annab võrdlusaluse in situ kõvenevate (UV või kuumusega aktiveeritavate) liimide ja trükitehnoloogia edasiarendamiseks.

Ümberkujundamine ja rakendamine

Võttes näiteks teemant/vase komposiitmaterjalid, on vasel ja selle sulamitel suurepärane soojusjuhtivus (350 W/m · K) ja suurepärane paindekandevõime ning neid kasutatakse laialdaselt suure jõudlusega soojusjuhtimismaterjalides. Teemant on looduses kõrgeima soojusjuhtivusega materjal ja selle soojusjuhtivus võib ulatuda 2000 W/m · K. Seetõttu on struktuuri/soojusjuhtivuse integreeritud materjalil teemant/vaskkomposiidiga, kuna süsteemil on suurepärased mehaanilised omadused, kuid sellel on ka kõrge soojusjuhtivus üle 700 W/m · K ja alla 10 × Madal soojuspaisumise koefitsient 10-6 on kõige potentsiaalsem materjal elektroonikaseadmete soojuse hajumise probleemi lahendamiseks. Tulevikus ei piirdu teemant/vase komposiitide kasutamine põhikujudega, nagu ümmargune kuusnurk, ning nõudlus heterogeensete teemant/metallisulamite komposiitide järele kasvab. Teemantmaterjal on aga väga kõva ja töötlemiskulud moodustavad üle 65 protsendi materjali kogumaksumusest, mis muudab traditsioonilise kuumpressimise paagutamise ja muud meetodid ebaefektiivseks. See tehnoloogia annab hea idee teemandi/vase ja muude teemant/metallmaatrikskomposiitide ülitäpseks lisandite tootmiseks ning annab uut elujõudu teemant/vaskmaterjalide lisandite valmistamise uurimisse. Sellel on suur rakenduspotentsiaal radarites, uutes energiasõidukites, jõuseadmetes, 3C elektroonikas ja muudes struktuursetes soojuse hajutamise integreeritud kõrge soojusvoo väljades.

Laboratoorium töötas iseseisvalt välja teemandi/metalli maatrikskomposiitide seeria, sealhulgas, kuid mitte ainult, teemant/vask, teemant/titaan, teemant/volfram, teemant/nikkel jne, ning töötas välja vastavad partiide ettevalmistamise protsessid. Mikromastaabis materjalide mikrostruktuuri põhjal luuakse soojusülekande mudel. Koos karbiidkristallide kasvuprotsessi simuleerimise ja liidese soojustakistuse kristallstruktuuri mudeli arvutamisega viiakse lõpule komposiitliidese soojusülekande arvutuspõhimõtte väljatöötamine ja optimeerimine. Algne juhitav teemantmetalliseerimisprotsess tagab teemant/metallmaatriksi komposiitide soojusjuhtivuse mitmeastmelise optimeerimise.

Joonis 6 Labori poolt iseseisvalt välja töötatud teemant-/vaskpulbertooted

Tuginedes teemant/metallmaatriksi pulbermaterjalide uurimis- ja arendustegevusele ning lisandite tootmisprotsessi optimeerimisele, töötati laboris välja teemant/metall komposiitmaterjal, mida esindavad alumiinium ja vask, mis sobib heterogeensete detailide vormimiseks. Soojusjuhtivus on kuni 700 W/m · K ja soojuspaisumise koefitsient on väiksem või võrdne 10 × 10-6, tugevusega 220 MPa, sellel on tohutu rakenduspotentsiaal soojusjuhtimise valdkonnas. Mitmemõõtmelise soojusjuhtivuse struktuuri optimeerimise kaudu paraneb teemant/vaskkomposiitide soojusjuhtimise tõhusus, komposiitide madala üldise soojusjuhtivuse pudelikael on murtud ning teostatakse keerukate ja tõhusate soojusjuhtimise struktuuride projekteerimine ja tootmine, mis oluliselt laiendab teemant/metallmaatrikskomposiitide kasutusvõimalusi ja parandab nende inseneripotentsiaali.

Joonis 7 Lisandite valmistamise tooted

(a) Teemant-vasestrüki seeriatooted, (b) teemant-/alumiiniumtrüki seeriatooted, (c) keraamiliste materjalide trükiseeria tooted