A Harbini Műszaki Egyetem új áttörést ért el a gyémánt 3D nyomtatási technológiában

Alap absztrakt: Nemrég Zhu Jiaqi, a Harbini Műszaki Egyetem professzora javasolt egy módszert az embrió pontos telítettségének beállítására a kötőanyag-permet adalék előállítása során, amely a gyors in situ keményedési folyamaton alapul.

Forrás: Materials Science and Engineering

A közelmúltban Zhu Jiaqi, a Harbini Műszaki Egyetem professzora egy módszert javasolt az embrió pontos telítettségének beállítására a kötőanyag-permetező adalék gyártási folyamatában, amely a gyors in situ keményedési folyamaton alapul. Ezzel a módszerrel nagy pontosságú/telítettségű embrió képződése valósítható meg, és a belső kapcsolat a kötőanyag erőssége és az embrió erőssége között a legnagyobb mértékben erősíthető, ami nagy jelentőséggel bír az alapkutatások szempontjából. a formáció minősége a ragasztóadalék gyártás területén.

A vonatkozó eredményeket az Additive Manufacturing, az additív gyártás nemzetközi vezető folyóirata tette közzé: Overcoming the penetration – kompromisszumok megtakarítása a kötőanyagsugaras adalékgyártásban a gyors in situ vágással címmel.

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

Kutatási háttér

A gyémánt/fém mátrix kompozitokat a hőkezelési anyagok következő generációjának tekintik nagy hővezető képességük és alacsony hőtágulásuk miatt, és nagy alkalmazási kilátásaik vannak. A gyémánt nagy keménysége miatt azonban jelenleg nincs olyan jó utókezelési módszer, mint a polírozás és polírozás, így a gyémánt/fém mátrix kompozitok közel hálóképző folyamata áll a jelenlegi kutatások középpontjában. Közülük a gyémánt/fém mátrix kompozitok 3D nyomtatási technológiája nagy figyelmet keltett.

A Binder Jetting (BJ) egy 3D nyomtatási technológia, amely különféle anyagokhoz alkalmazható. A feldolgozás során a kötőanyagot irányítottan lerakják a porágyra, hogy összetett háromdimenziós szerkezetű embriót állítsanak elő. A kötőanyag és a por közötti kölcsönhatást a vonatkozó szilárd-folyadék rendszer fizikai tulajdonságai és a porágy pórusszerkezete befolyásolja, ami megnehezíti a teljes nyomtatási folyamat pontos leírását egy egyszerű fizikai modellel. A PSTO miatt elkerülhetetlen ellentmondás van a BJ által előállított embriók méretpontossága és erőssége között. Az embriótest szilárdsága az effektív telítés növekedésével növekszik, de a behatolási távolság növekedése hátrányosan befolyásolja a méretpontosságot. A PSTO leküzdése érdekében a kutatók gyakran a feldolgozási paraméterek (például porszemcseméret, rétegvastagság vagy szárítási feltételek) optimalizálására összpontosítanak. Bár a kutatók nagy erőfeszítéseket tettek ezen a területen, a PSTO problémáját nem sikerült jól megoldani.

1. ábra A kötőanyag befecskendezésének elve sematikus diagramja

kutatási tartalmak

Ebben a tanulmányban a PSTO leküzdése érdekében a kutatócsoport a saját fejlesztésű akril ragasztón alapuló, gyors in situ kikeményedést (a ragasztók gyors kötése a nyomtatás során) kifejlesztett egy ragasztó spray adalék gyártási technológiát. A tiszta rézpor nyomdaanyagként való felhasználása megalapozta a gyémánt/réz kompozitok additív gyártásával kapcsolatos kutatásokat.

2. ábra Gyorsan kötő akrilragasztó teljesítményjellemzése

(a) a kötőanyag TGA- és DSC-görbéje, (b) a kötőanyag DSC-görbéje, (c) a TBPB nélküli kötőanyag FTIR-je, különböző hőmérsékleteken hevítve, (d) a 2 tömegszázalékos TBPB-kötőanyag FTIR-je különböző hőmérsékleteken melegítve

A 3. ábra a behatolási távolság és a tintasugaras idő közötti összefüggést mutatja. Azoknál a mintáknál, amelyek nem in situ térhálósodnak (a ragasztó nem köt ki a nyomtatási folyamat során), a behatolási távolság elsősorban az egyes tintasugaras mennyiségétől függ, ami a tintasugaras mennyiségének növekedésével kismértékben növekszik. Ezzel szemben az in situ megszilárdult mintákban a behatolási távolság jelentősen nőtt a tintasugaras mennyiségének növekedésével.

3. ábra: A permeációs távolság, a telítettség és a befecskendezési idő közötti kapcsolat

(a) Nem in situ keményedés, (b) in situ keményedés

Félig in situ térhálósodási körülmények között (a ragasztó infralámpával történő kikeményítésének hagyományos eljárása) a behatolási távolság főként az egyrétegű ragasztó teljes mennyiségéhez kapcsolódik, és a behatolási távolság növekszik a permetezett ragasztó mennyiségének növekedésével. Mivel az egyes rétegekre vonatkozó telítettség átfedésben van a többrétegű nyomtatott mintában, a többrétegű nyomtatott minta telítettsége meghaladja az egyrétegű nyomtatott minta telítettségét. A nem in situ keményedő nyomtatási módszerhez képest az azonos telítettségű félig in situ keményedés kisebb behatolási távolsággal rendelkezik, ami azt mutatja, hogy a félig in situ keményedés bizonyos mértékig csökkentheti a behatolási távolságot, és legyőzheti a PSTO-t. A fenti elemzés alapján felállítottam a ragasztók különböző folyamatok alatti penetrációs modelljeit.

4. ábra Beszivárgási folyamatmodell felállítása különböző folyamatokban

a) nem in situ keményedés, b) félig in situ keményedés, c) in situ keményedés

A beszivárgási távolság és a telítettség közötti összefüggést az 5. ábra mutatja. Nem in situ térhálósodás esetén a behatolási távolság főként az egyszeri kötőanyag-injektálás mennyiségétől függ, és a telítettség a kötőanyag-injektálások számával nő; Egy adott telítettségnél az in situ megszilárdult nyomatminta behatolási távolsága a legalacsonyabb, ami felülmúlja a hagyományos BJ által hozott PSTO-t.

5. ábra A permeabilitási távolság és a telítettség kapcsolata

Összegzés és kitekintés

Ebben a tanulmányban a kutatócsoport egy metakrilát ragasztórendszert fejlesztett ki termikus iniciálással és gyors kikeményítéssel, amely bebizonyította, hogy az in situ keményedési körülmények javíthatják az embriók nyomtatásának pontosságát és szilárdságát. Egyrétegű és többrétegű nyomtatási kísérleteket végeztünk a kötőanyagpor-rendszer nyomtatási jellemzőinek meghatározására különböző nyomtatási és kikeményedési körülmények között, alapot adva az in situ, félig in situ és in situ nyomtatás fizikai modelljeinek levezetéséhez. . Ezen túlmenően a telítettség és a behatolási távolság közötti összefüggést tárgyaltuk a különböző kikeményedési feltételekkel kapcsolatban. Ez a tanulmány referenciaként szolgál az in situ keményedő (UV vagy hőaktivált) ragasztók és nyomtatási technológia továbbfejlesztéséhez.

Átalakítás és alkalmazás

A gyémánt/réz kompozitok példájaként a réz és ötvözetei kiváló hővezető képességgel (350 W/m · K) és kiváló hajlítóképességgel rendelkeznek, és széles körben használják nagy teljesítményű hőkezelési anyagokban. A gyémánt a természetben a legnagyobb hővezető képességgel rendelkező anyag, és hővezető képessége elérheti a 2000 W/m · K-t. Ezért a szerkezet/hővezető képesség integrált anyag gyémánt/réz kompozittal, mivel a rendszer kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, ugyanakkor rendelkezik nagy hővezető képesség, több mint 700 W/m · K és kevesebb, mint 10 × Az alacsony hőtágulási együttható (10-6) a legpotenciálisabb anyag az elektronikus eszközök hőelvezetési problémájának megoldására. A jövőben a gyémánt/réz kompozitok használata nem korlátozódik az alapformákra, például a kerek hatszögletűekre, és a heterogén gyémánt/fémötvözet kompozitok iránti kereslet növekszik. A gyémánt anyag azonban nagyon kemény, és a feldolgozási költség az anyag összköltségének több mint 65 százalékát teszi ki, ami hatástalanná teszi a hagyományos melegsajtolásos szinterezést és egyéb módszereket. Ez a technológia jó ötletet nyújt gyémánt/réz és más gyémánt/fém mátrix kompozitok nagy pontosságú additív gyártásához, és új életerőt ad a gyémánt/réz anyagok additív gyártási kutatásába. Nagy alkalmazási potenciállal rendelkezik radarokban, új energiahordozókban, erőátviteli eszközökben, 3C elektronikában és más szerkezeti hőelvezetéssel integrált, nagy hőáramú mezőkben.

A laboratórium egymástól függetlenül kifejlesztett egy sor gyémánt/fém mátrix kompozitot, köztük, de nem kizárólagosan, gyémánt/réz, gyémánt/titán, gyémánt/volfram, gyémánt/nikkel stb., és kifejlesztette a megfelelő szakaszos előkészítési eljárásokat. A mikroméretű anyagok mikroszerkezete alapján egy hőátadási modellt állítottunk fel. A keményfém kristálynövekedési folyamat szimulációjával és a határfelületi hőellenállási kristályszerkezet modell számításával kombinálva befejeződik a kompozit határfelületi hőátadás számítási elvének kidolgozása és optimalizálása. Az eredeti, szabályozható gyémánt fémezési eljárás garanciát nyújt a gyémánt/fém mátrix kompozitok hővezető képességének többléptékű optimalizálására.

6. ábra A laboratórium által önállóan kifejlesztett gyémánt/rézpor termékek

A gyémánt/fém mátrix por anyagok kutatása és fejlesztése, valamint az additív gyártási folyamat optimalizálása alapján a laboratórium kifejlesztett egy alumínium és réz által képviselt gyémánt/fém kompozit anyagot, amely alkalmas heterogén alkatrészek öntésére. A hővezető képesség akár 700 W/m · K, a hőtágulási együttható pedig legfeljebb 10 × 10-6, 220 MPa szilárdságával hatalmas alkalmazási potenciállal rendelkezik a hőkezelés területén. A többléptékű hővezető szerkezet optimalizálása révén javul a gyémánt/réz kompozitok hőkezelési hatékonysága, megszűnik a kompozitok alacsony általános hővezető képességének szűk keresztmetszete, és megvalósul az összetett és hatékony hővezető szerkezetek tervezése és gyártása, ami nagymértékben kiterjeszti a gyémánt/fém mátrix kompozitok alkalmazási lehetőségeit és javítja mérnöki potenciáljukat.

7. ábra Additív gyártási termékek

(a) Gyémánt réznyomtatási sorozattermékek, (b) gyémánt/alumínium nyomdai sorozattermékek, (c) kerámia anyagú nyomdai sorozattermékek