Avance do po de alúmina nos materiais de impresión 3D
Entrando no laboratorio da Universidade Politécnica do Noroeste, un centro de fotopolimerizaciónimpresora 3D está a zumbir lixeiramente e o raio láser móvese con precisión na pasta cerámica. Só unhas horas despois, preséntase completamente un núcleo cerámico cunha estrutura complexa como un labirinto: usarase para fundir as palas das turbinas dos motores dos avións. O profesor Su Haijun, responsable do proxecto, sinalou o delicado compoñente e dixo: «Hai tres anos, non nos atrevíamos nin a pensar en tanta precisión. O avance clave está agochado neste discreto po de alúmina».
Houbo un tempo no que a cerámica de alúmina era coma un "estudante problemático" no campo daimpresión 3D– alta resistencia, resistencia a altas temperaturas, bo illamento, pero unha vez impreso, presentaba moitos problemas. Nos procesos tradicionais, o po de alúmina ten pouca fluidez e a miúdo bloquea o cabezal de impresión; a taxa de contracción durante a sinterización pode chegar ao 15 %-20 %, e as pezas que se imprimiron con moito esforzo deformaranse e racharán en canto se queimen; ¿estruturas complexas? É aínda máis un luxo. Os enxeñeiros están preocupados: «Isto é coma un artista teimudo, con ideas salvaxes pero sen suficientes mans».
1. Fórmula rusa: Poñer unha “armadura cerámica” noaluminiomatriz
O punto de inflexión produciuse por primeira vez coa revolución no deseño de materiais. En 2020, científicos de materiais da Universidade Nacional de Ciencia e Tecnoloxía (NUST MISIS) de Rusia anunciaron unha tecnoloxía disruptiva. En lugar de simplemente mesturar po de óxido de aluminio, colocaron po de aluminio de alta pureza nun autoclave e utilizaron a oxidación hidrotérmica para "facer medrar" unha capa de película de óxido de aluminio cun grosor controlable con precisión na superficie de cada partícula de aluminio, igual que se coloca unha capa de armadura de nanonivel na bóla de aluminio. Este po de "estrutura núcleo-casca" mostra un rendemento sorprendente durante a impresión 3D láser (tecnoloxía SLM): a dureza é un 40 % maior que a dos materiais de aluminio puro e a estabilidade a altas temperaturas mellora moito, cumprindo directamente os requisitos de nivel aeronáutico.
O profesor Alexander Gromov, o líder do proxecto, fixo unha vívida analoxía: «No pasado, os materiais compostos eran como ensaladas: cada un facía o que lle correspondía; os nosos pos son como bocadillos: o aluminio e a alúmina mórdense capa a capa e ningún pode prescindir do outro». Esta forte unión permite que o material mostre a súa destreza en pezas de motores de avións e en bastidores de carrozarías ultralixeiros, e mesmo comeza a desafiar o territorio das aliaxes de titanio.
2. Sabedoría chinesa: a maxia de “colocar” a cerámica
O maior problema da impresión con cerámica de alúmina é a contracción por sinterización: imaxina que amasas coidadosamente unha figura de arxila e que se contrae ao tamaño dunha pataca en canto entra no forno. Canto se colapsaría? A principios de 2024, os resultados publicados polo equipo do profesor Su Haijun da Northwestern Polytechnical University no Journal of Materials Science & Technology deron o pistoletazo de saída á industria: conseguiron un núcleo cerámico de alúmina de contracción case nula cunha taxa de contracción de só o 0,3 %.
O segredo é sumarpo de aluminioá alúmina e logo reproducir unha precisa "maxia atmosférica".
Engadir po de aluminio: mesturar o 15 % de po fino de aluminio na pasta cerámica
Controlar a atmosfera: usar protección con gas argón ao comezo da sinterización para evitar que o po de aluminio se oxide
Conmutación intelixente: cando a temperatura sube a 1400 °C, cambia repentinamente a atmosfera a aire
Oxidación in situ: o po de aluminio fúndese instantaneamente en gotas e oxídase a óxido de aluminio, e a expansión do volume compensa a contracción
3. Revolución do aglutinante: o po de aluminio convértese en "cola invisible"
Mentres os equipos ruso e chinés traballan arreo na modificación do po, outra vía técnica madurou discretamente: o uso de po de aluminio como aglutinante. Cerámica tradicionalimpresión 3DOs aglutinantes son principalmente resinas orgánicas, que deixarán cavidades ao queimarse durante o desengraxamento. A patente de 2023 dun equipo nacional adopta un enfoque diferente: converter po de aluminio nun aglutinante a base de auga47.
Durante a impresión, a boquilla pulveriza con precisión "cola" que contén entre un 50 e un 70 % de po de aluminio sobre a capa de po de óxido de aluminio. Cando chega á fase de desengraxamento, extráese o baleiro e pásase osíxeno a través del, e o po de aluminio oxídase a óxido de aluminio a 200-800 °C. A característica de expansión do volume de máis do 20 % permítelle encher activamente os poros e reducir a taxa de contracción a menos do 5 %. "É equivalente a desmontar o andamio e construír un novo muro ao mesmo tempo, enchendo os teus propios buratos!", describiuno deste xeito un enxeñeiro.
4. A arte das partículas: a vitoria do po esférico
A "apariencia" do po de alúmina converteuse inesperadamente na clave dos avances: esta aparencia fai referencia á forma das partículas. Un estudo publicado na revista "Open Ceramics" en 2024 comparou o rendemento de pos de alúmina esféricos e irregulares na impresión por deposición fundida (CF³)5:
Po esférico: flúe como area fina, a taxa de recheo supera o 60% e a impresión é suave e sedosa
Po irregular: atascado como azucre groso, a viscosidade é 40 veces maior e a boquilla está bloqueada para dubidar da vida útil
Mellor aínda, a densidade das pezas impresas con po esférico supera facilmente o 89 % despois da sinterización, e o acabado superficial cumpre directamente co estándar. «Quen aínda usa po “feo” agora? A fluidez é eficacia no combate!», concluíu un técnico sorrindo5.
Futuro: as estrelas e os mares conviven co pequeno e o fermoso
A revolución da impresión 3D de po de alúmina está lonxe de rematar. A industria militar tomou a dianteira na aplicación de núcleos de contracción case nula para fabricar palas de turbofan; o campo biomédico dedicouse á súa biocompatibilidade e comezou a imprimir implantes óseos personalizados; a industria electrónica centrouse en substratos de disipación de calor; despois de todo, a condutividade térmica e a condutividade non eléctrica da alúmina son irremplazables.