Harbinas Tehnoloģiju universitāte ir panākusi jaunu izrāvienu dimanta 3D drukas tehnoloģijā

Pamata kopsavilkums: Nesen Harbinas Tehnoloģiju universitātes profesors Zhu Jiaqi ierosināja metodi, lai pielāgotu embrija piesātinājuma precizitāti saistvielas izsmidzināšanas piedevas ražošanā, pamatojoties uz ātru in situ cietēšanas procesu.

Avots: Materiālzinātne un inženierija

Nesen profesors Zhu Jiaqi no Harbinas Tehnoloģiju universitātes ierosināja metodi, lai pielāgotu embrija piesātinājuma precizitāti saistvielas izsmidzināšanas piedevu ražošanas procesā, pamatojoties uz ātru in situ cietēšanas procesu. Saskaņā ar šo metodi var realizēt augstas precizitātes/piesātinājuma embrija veidošanos un vislielākajā mērā nostiprināt iekšējās attiecības starp pašas saistvielas stiprumu un embrija stiprumu, kam ir liela nozīme fundamentālajos pētījumos. veidošanās kvalitāte līmes piedevu ražošanas jomā.

Attiecīgie sasniegumi tika publicēti Additive Manufacturing, starptautiskajā vadošajā piedevu ražošanas žurnālā ar nosaukumu Pārvarēt iespiešanos – ietaupot kompromisus saistvielu strūklas piedevu ražošanā, izmantojot ātru in situ griešanu.

Papīra saite: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103157

Pētījuma fons

Dimanta/metāla matricas kompozītmateriāli tiek uzskatīti par nākamās paaudzes siltuma pārvaldības materiāliem, jo ​​tiem ir augsta siltumvadītspēja un zema termiskā izplešanās, un tiem ir lielas pielietojuma iespējas. Tomēr dimanta augstās cietības dēļ pašlaik nav labas pēcapstrādes metodes, piemēram, pulēšanas un pulēšanas, tāpēc pašreizējo pētījumu uzmanības centrā ir dimanta/metāla matricas kompozītmateriālu gandrīz tīkla veidošanas process. Tostarp dimanta/metāla matricas kompozītmateriālu 3D drukas tehnoloģija ir piesaistījusi plašu uzmanību.

Binder Jetting (BJ) ir 3D drukas tehnoloģija, ko var izmantot dažādiem materiāliem. Apstrādes laikā saistviela tiek virzīta uz pulvera slāņa, lai iegūtu embriju ar sarežģītu trīsdimensiju struktūru. Saistvielas un pulvera mijiedarbību ietekmē attiecīgās cietās-šķidruma sistēmas fizikālās īpašības un pulvera slāņa poru struktūra, kas apgrūtina visa drukāšanas procesa precīzu aprakstu ar vienkāršu fizisko modeli. PSTO dēļ pastāv neizbēgama pretruna starp BJ ražoto embriju izmēru precizitāti un stiprumu. Embrija ķermeņa stiprums palielinās, palielinoties efektīvajam piesātinājumam, bet iespiešanās attāluma palielināšanās negatīvi ietekmē tā izmēra precizitāti. Lai pārvarētu PSTO, pētnieki bieži koncentrējas uz apstrādes parametru optimizāciju (piemēram, pulvera daļiņu izmēru, slāņa biezumu vai žāvēšanas apstākļiem). Lai gan pētnieki ir pielikuši lielas pūles šajā jomā, PSTO problēma nav veiksmīgi atrisināta.

1. att. Saistvielas iesmidzināšanas principa shematiskā diagramma

pētījuma saturs

Šajā pētījumā, lai pārvarētu PSTO, pētnieku grupa izstrādāja ātru in situ sacietēšanu (ātra līmju sacietēšana drukāšanas laikā) līmes izsmidzināmās piedevas ražošanas tehnoloģiju, kuras pamatā ir pašu izstrādāta akrila līme. Tīra vara pulvera izmantošana kā drukas materiāls ir licis pamatu dimanta/vara kompozītmateriālu aditīvās ražošanas pētījumiem.

2. att. Ātri cietējošas akrila līmes veiktspējas raksturojums

(a) saistvielas TGA un DSC līknes, (b) saistvielas DSC līkne, (c) saistvielas FTIR bez TBPB, kas karsēts dažādās temperatūrās, (d) FTIR 2 masas procentu TBPB saistvielai, kas karsēta dažādās temperatūrās.

3. attēlā parādīta saistība starp iespiešanās attālumu un tintes strūklas laikiem. Paraugos, kas nav cietināti in situ (līme nesacietē drukāšanas procesā), iespiešanās attālums galvenokārt ir atkarīgs no vienas tintes daudzuma, kas nedaudz palielinās, palielinoties tintes daudzumam. Gluži pretēji, in situ cietinātajos paraugos iespiešanās attālums ievērojami palielinājās, palielinoties tintes daudzumam.

3. att. Saistība starp caurlaidības attālumu, piesātinājumu un injekcijas laiku

a) konservēšana in situ, b) konservēšana in situ

Daļēji in situ cietēšanas stāvoklī (tradicionālais līmes sacietēšanas process ar infrasarkano staru lampu) iespiešanās attālums galvenokārt ir saistīts ar kopējo viena slāņa līmes daudzumu, un iespiešanās attālums palielinās, palielinoties izsmidzinātās līmes daudzumam. Tā kā ar katru slāni saistītais piesātinājums pārklājas daudzslāņu drukātajā paraugā, daudzslāņu drukātā parauga piesātinājums pārsniedz viena slāņa drukātā parauga piesātinājumu. Salīdzinot ar nein-situ konservēšanas drukāšanas metodi, daļēji in situ konservēšanai ar tādu pašu piesātinājumu ir mazāks iespiešanās attālums, kas parāda, ka daļēji in situ konservēšana var zināmā mērā samazināt iespiešanās attālumu un pārvarēt PSTO. Pamatojoties uz iepriekš minēto analīzi, tika izveidoti līmju iespiešanās modeļi dažādos procesos.

4. att. Infiltrācijas procesa modeļa izveide dažādos procesos

a) konservēšana bez in situ, b) konservēšana daļēji in situ, c) konservēšana in situ

Saikne starp infiltrācijas attālumu un piesātinājumu ir parādīta 5. attēlā. Nein-situ cietēšanas apstākļos iespiešanās attālums galvenokārt ir atkarīgs no vienas saistvielas injekcijas daudzuma, un piesātinājums palielinās līdz ar saistvielas injekciju skaitu; Pie noteikta piesātinājuma in situ cietinātā drukas parauga iespiešanās attālums ir viszemākais, kas pārspēj tradicionālā BJ radīto PSTO.

5. att. Saistība starp caurlaidības attālumu un piesātinājumu

Kopsavilkums un perspektīvas

Šajā pētījumā pētnieku grupa izstrādāja metakrilāta līmes sistēmu ar termisku ierosināšanu un ātru sacietēšanu, kas pierādīja, ka in situ konservēšanas apstākļi var uzlabot embriju drukāšanas precizitāti un izturību. Tika veikti viena slāņa un daudzslāņu drukas eksperimenti, lai noteiktu saistvielu pulvera sistēmas drukāšanas raksturlielumus dažādos drukāšanas un sacietēšanas apstākļos, nodrošinot pamatu drukas fizisko modeļu atvasināšanai in situ, daļēji in situ un in situ apstākļos. . Turklāt tika apspriesta saistība starp piesātinājumu un iespiešanās attālumu, kas saistīta ar dažādiem sacietēšanas apstākļiem. Šis pētījums sniedz atsauci turpmākai in situ cietēšanas (UV vai termiski aktivētu) līmju un drukas tehnoloģiju attīstībai.

Pārveidošana un pielietošana

Ņemot par piemēru dimanta/vara kompozītmateriālus, varam un tā sakausējumiem ir lieliska siltumvadītspēja (350 W/m · K) un lieliska lieces nestspēja, un tos plaši izmanto augstas veiktspējas siltuma pārvaldības materiālos. Dimants ir materiāls ar visaugstāko siltumvadītspēju dabā, un tā siltumvadītspēja var sasniegt 2000 W/m · K. Tāpēc struktūras/siltuma vadītspējas integrētais materiāls ar dimanta/vara kompozītmateriālu, jo sistēmai ir lieliskas mehāniskās īpašības, taču tai ir arī augsta siltumvadītspēja vairāk nekā 700 W/m · K un mazāka par 10 × Zemais termiskās izplešanās koeficients 10-6 ir potenciālākais materiāls elektronisko ierīču siltuma izkliedes problēmas risināšanai. Nākotnē dimanta/vara kompozītmateriālu izmantošana neaprobežojas tikai ar tādām pamatformām kā apaļš sešstūris, un pieaug pieprasījums pēc neviendabīgiem dimanta/metāla sakausējumu kompozītmateriāliem. Tomēr dimanta materiāls ir ļoti ciets, un apstrādes izmaksas veido vairāk nekā 65 procentus no materiāla kopējām izmaksām, kas padara tradicionālās karstās presēšanas saķepināšanas un citas metodes neefektīvas. Šī tehnoloģija nodrošina labu ideju dimanta/vara un citu dimanta/metāla matricu kompozītmateriālu augstas precizitātes piedevu ražošanai un ievieš jaunu vitalitāti dimanta/vara materiālu piedevu ražošanas pētījumos. Tam ir liels pielietojuma potenciāls radaros, jaunos enerģijas transportlīdzekļos, barošanas ierīcēs, 3C elektronikā un citos strukturālos siltuma izkliedes integrētos augstas siltuma plūsmas laukos.

Laboratorija neatkarīgi izstrādāja virkni dimanta/metāla matricas kompozītmateriālu, tostarp, bet ne tikai, dimanta/vara, dimanta/titāna, dimanta/volframa, dimanta/niķeļa utt., un izstrādāja atbilstošus sērijveida sagatavošanas procesus. Balstoties uz mikro mēroga materiālu mikrostruktūru, tiek izveidots siltuma pārneses modelis. Apvienojumā ar karbīda kristālu augšanas procesa simulāciju un saskarnes termiskās pretestības kristāla struktūras modeļa aprēķinu tiek pabeigta kompozītmateriālu saskarnes siltuma pārneses aprēķina principa izstrāde un optimizācija. Oriģinālais vadāmais dimanta metalizācijas process nodrošina dimanta/metāla matricas kompozītmateriālu siltumvadītspējas daudzpakāpju optimizāciju.

6. att. Laboratorijas neatkarīgi izstrādāti dimanta/vara pulvera izstrādājumi

Balstoties uz dimanta/metāla matricas pulvera materiālu izpēti un izstrādi un piedevu ražošanas procesa optimizāciju, laboratorija izstrādāja dimanta/metāla kompozītmateriālu, ko pārstāv alumīnijs un varš, kas ir piemērots neviendabīgu detaļu formēšanai. Siltumvadītspēja ir līdz 700 W/m · K, un siltuma izplešanās koeficients ir mazāks vai vienāds ar 10 × 10-6, ar izturību 220 MPa, un tam ir milzīgs pielietojuma potenciāls siltuma pārvaldības jomā. Izmantojot daudzpakāpju siltumvadītspējas struktūras optimizāciju, tiek uzlabota dimanta/vara kompozītmateriālu siltuma pārvaldības efektivitāte, tiek izjaukts kompozītmateriālu zemās kopējās siltumvadītspējas sašaurinājums, kā arī tiek realizēta sarežģītu un efektīvu siltumvadības konstrukciju projektēšana un ražošana, kas lielā mērā. paplašina dimanta/metāla matricu kompozītmateriālu pielietojuma perspektīvas un uzlabo to inženiertehnisko potenciālu.

7. att. Piedevu ražošanas produkti

(a) Dimanta vara apdrukas sērijas izstrādājumi, (b) dimanta/alumīnija apdrukas sērijas izstrādājumi, (c) keramikas materiālu apdrukas sērijas izstrādājumi