La polvere di allumina rivoluziona i materiali per la stampa 3D
Entrando nel laboratorio della Northwestern Polytechnical University, una lampada fotopolimerizzabilestampante 3D ronza leggermente e il raggio laser si muove con precisione nella sospensione ceramica. Poche ore dopo, un nucleo ceramico dalla struttura complessa, simile a un labirinto, è completamente visibile: verrà utilizzato per fondere le pale delle turbine dei motori degli aerei. Il professor Su Haijun, responsabile del progetto, ha indicato il delicato componente e ha affermato: "Tre anni fa, non osavamo nemmeno pensare a una tale precisione. La svolta fondamentale è nascosta in questa polvere di allumina poco appariscente".
Un tempo, la ceramica di allumina era come uno “studente problematico” nel campo dellastampa 3D– elevata resistenza, resistenza alle alte temperature, buon isolamento, ma una volta stampato, presentava molti problemi. Con i processi tradizionali, la polvere di allumina ha scarsa fluidità e spesso blocca la testina di stampa; il tasso di restringimento durante la sinterizzazione può arrivare fino al 15%-20% e le parti stampate con grande sforzo si deformeranno e si creperanno non appena verranno bruciate; strutture complesse? È ancora più un lusso. Gli ingegneri sono preoccupati: "Questa cosa è come un artista testardo, con idee folli ma mani insufficienti".
1. Formula russa: Mettere “armatura di ceramica” sulalluminiomatrice
La svolta è arrivata innanzitutto dalla rivoluzione nella progettazione dei materiali. Nel 2020, gli scienziati dei materiali dell'Università Nazionale di Scienza e Tecnologia (NUST MISIS) della Russia hanno annunciato una tecnologia rivoluzionaria. Invece di miscelare semplicemente polvere di ossido di alluminio, hanno inserito polvere di alluminio ad alta purezza in un'autoclave e hanno utilizzato l'ossidazione idrotermica per "far crescere" uno strato di pellicola di ossido di alluminio con uno spessore controllabile con precisione sulla superficie di ogni particella di alluminio, proprio come applicare uno strato di armatura a livello nanometrico su una sfera di alluminio. Questa polvere con "struttura nucleo-guscio" mostra prestazioni sorprendenti durante la stampa 3D laser (tecnologia SLM): la durezza è superiore del 40% rispetto a quella dei materiali in alluminio puro e la stabilità alle alte temperature è notevolmente migliorata, soddisfacendo direttamente i requisiti di livello aeronautico.
Il professor Alexander Gromov, responsabile del progetto, ha fatto un'analogia vivida: "In passato, i materiali compositi erano come insalate: ognuno gestiva il proprio lavoro; le nostre polveri sono come panini: alluminio e allumina si mordono a vicenda strato dopo strato, e nessuno dei due può fare a meno dell'altro". Questa forte unione consente al materiale di dimostrare la sua efficacia nelle parti dei motori degli aerei e nei telai ultraleggeri, e inizia persino a sfidare il territorio delle leghe di titanio.
2. La saggezza cinese: la magia dell’“incastonatura” della ceramica
Il principale problema della stampa su ceramica di allumina è il ritiro da sinterizzazione: immaginate di impastare con cura una figura di argilla e che questa si riduca fino alle dimensioni di una patata non appena messa in forno. Quanto si ridurrebbe? All'inizio del 2024, i risultati pubblicati dal team del professor Su Haijun della Northwestern Polytechnical University sul Journal of Materials Science & Technology hanno dato una scossa al settore: hanno ottenuto un nucleo in ceramica di allumina a ritiro quasi nullo, con un tasso di ritiro di appena lo 0,3%.
Il segreto è aggiungerepolvere di alluminioall'allumina e poi riprodurre una precisa "magia atmosferica".
Aggiungere polvere di alluminio: mescolare il 15% di polvere di alluminio fine nella sospensione ceramica
Controllare l'atmosfera: utilizzare la protezione del gas argon all'inizio della sinterizzazione per evitare che la polvere di alluminio si ossidi
Commutazione intelligente: quando la temperatura sale a 1400°C, cambia improvvisamente l'atmosfera in aria
Ossidazione in situ: la polvere di alluminio si scioglie istantaneamente in goccioline e si ossida in ossido di alluminio, e l'espansione del volume compensa la contrazione
3. Rivoluzione del legante: la polvere di alluminio si trasforma in “colla invisibile”
Mentre i team russi e cinesi stanno lavorando duramente sulla modifica della polvere, un'altra strada tecnica è maturata silenziosamente: l'uso della polvere di alluminio come legante. Ceramica tradizionalestampa 3DI leganti sono per lo più resine organiche, che lasciano cavità se bruciate durante la sgrassatura. Il brevetto del 2023 di un team nazionale adotta un approccio diverso: trasformare la polvere di alluminio in un legante a base d'acqua47.
Durante la stampa, l'ugello spruzza accuratamente una "colla" contenente il 50-70% di polvere di alluminio sullo strato di polvere di ossido di alluminio. Nella fase di sgrassaggio, si crea il vuoto e si fa passare ossigeno, e la polvere di alluminio viene ossidata in ossido di alluminio a 200-800 °C. La caratteristica di espansione del volume superiore al 20% consente di riempire attivamente i pori e ridurre il tasso di restringimento a meno del 5%. "È come smontare un'impalcatura e costruire un nuovo muro contemporaneamente, riempiendo i propri buchi!", ha descritto così un ingegnere.
4. L'arte delle particelle: la vittoria della polvere sferica
L'"aspetto" della polvere di allumina è inaspettatamente diventato la chiave delle innovazioni: questo aspetto si riferisce alla forma delle particelle. Uno studio pubblicato sulla rivista "Open Ceramics" nel 2024 ha confrontato le prestazioni di polveri di allumina sferiche e irregolari nella stampa a deposizione fusa (CF³)5:
Polvere sferica: scorre come sabbia fine, il tasso di riempimento supera il 60% e la stampa è liscia e setosa
Polvere irregolare: attaccata come zucchero grezzo, la viscosità è 40 volte superiore e l'ugello è bloccato per dubitare della vita
Ancora meglio, la densità delle parti stampate con polvere sferica supera facilmente l'89% dopo la sinterizzazione e la finitura superficiale soddisfa pienamente lo standard. "Chi usa ancora polvere "brutta"? La fluidità è efficacia in combattimento!" Un tecnico ha sorriso e ha concluso.
Futuro: Stelle e mari coesistono con piccoli e bellissimi
La rivoluzione della stampa 3D di polvere di allumina è tutt'altro che conclusa. L'industria militare ha assunto un ruolo guida nell'applicazione di nuclei a ritiro quasi nullo per la produzione di pale di turbofan; il settore biomedico ha apprezzato la sua biocompatibilità e ha iniziato a stampare impianti ossei personalizzati; l'industria elettronica ha puntato sui substrati per la dissipazione del calore: dopotutto, la conduttività termica e non elettrica dell'allumina sono insostituibili.