אוניברסיטת חרבין לטכנולוגיה עשתה פריצת דרך חדשה בטכנולוגיית הדפסת תלת מימד יהלום

תקציר הליבה: לאחרונה הציע פרופסור Zhu Jiaqi מאוניברסיטת חרבין לטכנולוגיה שיטה להתאים את רווית הדיוק של העובר בייצור תוסף ספריי קלסר המבוסס על תהליך ריפוי מהיר באתרו.

מקור: מדע והנדסת חומרים

לאחרונה, פרופסור Zhu Jiaqi מאוניברסיטת חרבין לטכנולוגיה הציע שיטה להתאים את רווית הדיוק של העובר בתהליך של ייצור תוסף ספריי קלסר המבוסס על תהליך הריפוי המהיר באתרו. על פי שיטה זו ניתן לממש את היווצרותו של עובר דיוק/רוויה גבוה, ולחזק במידה רבה את הקשר הפנימי בין חוזק הקלסר עצמו לחוזק העובר, שיש לו משמעות רבה למחקר הבסיסי בנושא. איכות היווצרות בתחום ייצור תוספים דבקים.

הישגים רלוונטיים פורסמו ב-Additive Manufacturing, כתב עת בינלאומי מוביל לייצור תוספים, תחת הכותרת "התגברות על החדירה - חיסכון של חילופין בייצור תוספים בסילון קלסרים באמצעות חיתוך מהיר במקום.

קישור נייר: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103157

רקע מחקרי

חומרים מרוכבים של מטריצת יהלומים/מתכת נחשבים לדור הבא של חומרי ניהול תרמיים בגלל המוליכות התרמית הגבוהה שלהם והתפשטותם התרמית הנמוכה, ויש להם סיכויי יישום גדולים. עם זאת, בשל הקשיות הגבוהה של היהלום, אין כיום שיטת טיפול טובה כמו ליטוש וליטוש, כך שתהליך היווצרות הרשת הקרובה של חומרי מטריצת יהלומים/מתכת הוא המוקד של המחקר הנוכחי. ביניהם, טכנולוגיית ההדפסה התלת מימדית של חומרים מרוכבים של יהלום/מתכת משכה תשומת לב רבה.

Binder Jetting (BJ) היא טכנולוגיית הדפסה תלת מימדית החלה על חומרים שונים. במהלך העיבוד, הקלסר מופקד בכיוון על מצע האבקה כדי לייצר עובר בעל מבנה תלת מימדי מורכב. האינטראקציה בין קלסר לאבקה מושפעת מהתכונות הפיזיקליות של המערכת המוצק-נוזל הרלוונטית וממבנה הנקבוביות של מיטת האבקה, מה שמקשה על תיאור מדויק של כל תהליך ההדפסה במודל פיזיקלי פשוט. בשל ה-PSTO, יש סתירה בלתי נמנעת בין דיוק הגודל והחוזק של עוברים המיוצרים על ידי BJ. כוחו של גוף העובר עולה עם עליית הרוויה האפקטיבית, אך להגדלת מרחק החדירה יש השפעות שליליות על דיוק הגודל שלו. על מנת להתגבר על PSTO, החוקרים מתמקדים לעתים קרובות באופטימיזציה של פרמטרי עיבוד (כגון גודל חלקיקי אבקה, עובי שכבה או תנאי ייבוש). למרות שחוקרים עשו מאמצים רבים בתחום זה, בעיית ה-PSTO לא נפתרה היטב.

איור 1 תרשים סכמטי של עקרון הזרקת קלסר

תכני מחקר

במחקר זה, על מנת להתגבר על PSTO, צוות המחקר פיתח אשפרה מהירה באתר (איפוי מהיר של דבקים במהלך הדפסה) טכנולוגיית ייצור תרסיס דבק המבוסס על דבק אקרילי בפיתוח עצמי. השימוש באבקת נחושת טהורה כחומר הדפסה הניח בסיס למחקר על ייצור תוסף של יהלומים/נחושת מרוכבים.

איור 2 אפיון ביצועים של דבק אקרילי מתרפא מהיר

(א) עקומות TGA ו-DSC של קלסר, (ב) עקומת DSC של קלסר, (ג) FTIR של קלסר ללא TBPB מחומם בטמפרטורות שונות, (ד) FTIR של 2wt אחוזים TBPB קלסר מחומם בטמפרטורות שונות

איור 3 מציג את הקשר בין מרחק חדירה וזמני הזרקת דיו. בדוגמאות שאינן נרפאות במקום (הדבק אינו מתרפא בתהליך ההדפסה), מרחק החדירה תלוי בעיקר בכמות הזרקת הדיו הבודדת שעולה מעט עם עליית כמות הזרקת הדיו. להיפך, בדגימות המוצקות במקום, מרחק החדירה גדל באופן משמעותי עם הגידול בכמות הזרקת הדיו.

איור 3 קשר בין מרחק חלחול, רוויה וזמני הזרקה

(א) ריפוי לא במקום, (ב) אשפרה במקום

במצב ריפוי למחצה באתרו (התהליך המסורתי של ריפוי הדבק עם מנורת אינפרא אדום), מרחק החדירה קשור בעיקר לכמות הכוללת של דבק שכבה בודדת, ומרחק החדירה גדל עם הגידול בכמות הדבק המרוסס. מכיוון שהרוויה הקשורה לכל שכבה חופפת בדוגמה המודפסת הרב-שכבתית, הרוויה של הדוגמה המודפסת הרב-שכבתית עולה על זו של הדוגמה המודפסת רב-שכבתית. בהשוואה לשיטת הדפסה ללא אשפרה במקום, לריפוי חצי במקום עם אותה רוויה יש מרחק חדירה נמוך יותר, מה שמראה שאשפרה למחצה באתר יכולה להפחית את מרחק החדירה במידה מסוימת ולהתגבר על PSTO. בהתבסס על הניתוח לעיל, הוקמו מודלים של חדירה של דבקים בתהליכים שונים.

איור 4 הקמת מודל תהליך החדירה בתהליכים שונים

(א) אשפרה לא במקום, (ב) אשפרה למחצה באתר, (ג) אשפרה במקום

הקשר בין מרחק הסתננות לרוויה מוצג באיור 5. במצב של אשפרה שאינה באתר, מרחק החדירה תלוי בעיקר בכמות הזרקת קלסר בודד, והרוויה עולה עם מספר הזרקות הקלסר; ברוויה ספציפית, מרחק החדירה של דגימת ההדפסה המוצקה באתר הוא הנמוך ביותר, מה שמתגבר על ה-PSTO שהביא ה-BJ המסורתי.

איור 5 קשר בין מרחק חדירות לרוויה

סיכום והשקפה

במחקר זה, צוות המחקר פיתח מערכת דבק מתאקרילט עם התחלת תרמית וריפוי מהיר, שהוכיחה שתנאי הריפוי במקום יכולים לשפר את הדיוק והחוזק של הדפסת עוברים. ניסויי הדפסה בשכבה בודדת ורב-שכבתית בוצעו כדי לקבוע את מאפייני ההדפסה של מערכת אבקת הקלסר בתנאי הדפסה ואשפרה שונים, המהווים בסיס לגזירת המודלים הפיזיים של הדפסה במקום, חצי באתר ותנאים במקום. . בנוסף, נדון הקשר בין רוויה למרחק חדירה הקשור לתנאי ריפוי שונים. מחקר זה מספק התייחסות להמשך הפיתוח של דבקים לריפוי באתר (UV או חום) וטכנולוגיית הדפסה.

טרנספורמציה ויישום

אם ניקח לדוגמה חומרים מרוכבים של יהלום/נחושת, לנחושת ולסגסוגות שלה יש מוליכות תרמית מצוינת (350W/m · K) ויכולת נשיאת כיפוף מעולה, והם נמצאים בשימוש נרחב בחומרי ניהול תרמיים בעלי ביצועים גבוהים. יהלום הוא החומר בעל המוליכות התרמית הגבוהה ביותר בטבע, והמוליכות התרמית שלו יכולה להגיע ל-2000W/m · K. לכן, המבנה/מוליכות התרמית משולב חומר עם מרוכב יהלום/נחושת שכן למערכת תכונות מכניות מצוינות, אך גם בעל מוליכות תרמית גבוהה של יותר מ-700 W/m · K ופחות מ-10 × מקדם ההתפשטות התרמית הנמוך של 10-6 הוא החומר הפוטנציאלי ביותר לפתור את בעיית פיזור החום של מכשירים אלקטרוניים. בעתיד, השימוש בחומרים מרוכבים של יהלום/נחושת אינו מוגבל לצורות הבסיסיות כמו משושה עגול, והביקוש לחומרי יהלום/סגסוגת מתכת הטרוגניים הולך וגדל. עם זאת, חומר היהלום קשה מאוד, ועלות העיבוד מהווה יותר מ-65 אחוזים מהעלות הכוללת של החומר, מה שהופך את סינטר הכבישה החמה המסורתית ושיטות אחרות ללא יעילות. טכנולוגיה זו מספקת רעיון טוב לייצור תוסף של יהלום/נחושת וחומרי מטריצת יהלומים/מתכת אחרים, ומחדירה חיוניות חדשה למחקר הייצור המוסף של חומרי יהלום/נחושת. יש לו פוטנציאל יישום גדול במכ"ם, רכבי אנרגיה חדשים, מכשירי כוח, אלקטרוניקה 3C ושדות משולבים של זרימת חום גבוהה אחרים של פיזור חום מבני.

המעבדה פיתחה באופן עצמאי סדרה של חומרים מרוכבים של יהלום/מתכת, כולל אך לא רק יהלום/נחושת, יהלום/טיטניום, יהלום/טונגסטן, יהלום/ניקל וכו', ופיתחה תהליכי הכנת אצווה מתאימים. בהתבסס על מבנה המיקרו של חומרים בקנה מידה מיקרו, נקבע מודל העברת חום. בשילוב עם סימולציה של תהליך צמיחת גבישי קרביד וחישוב של מודל מבנה גביש התנגדות תרמית של ממשק, הושלמו הפיתוח והאופטימיזציה של עקרון החישוב של העברת חום ממשק מרוכב. תהליך מתכת היהלומים המקורי הניתן לשליטה מספק ערובה לאופטימיזציה מרובת קנה מידה של מוליכות תרמית של חומרים מרוכבים של מטריצת יהלומים/מתכת.

איור 6 מוצרי יהלום/אבקת נחושת שפותחו באופן עצמאי על ידי המעבדה

בהתבסס על מחקר ופיתוח של חומרי אבקת מטריצת יהלומים/מתכת ואופטימיזציה של תהליך ייצור תוסף, המעבדה פיתחה חומר מרוכב יהלום/מתכת המיוצג על ידי אלומיניום ונחושת, המתאים ליציקה של חלקים הטרוגניים. המוליכות התרמית היא עד 700W/m · K, ומקדם ההתפשטות התרמית הוא פחות או שווה ל-10 × 10-6, עם חוזק של 220MPa, יש פוטנציאל יישום עצום בתחום הניהול התרמי. באמצעות אופטימיזציה של מבנה מוליכות תרמית רב קנה מידה, יעילות הניהול התרמית של חומרי יהלום/נחושת משתפרת, נשבר צוואר הבקבוק של מוליכות תרמית נמוכה של חומרים מרוכבים, ומתממשים התכנון והייצור של מבני ניהול תרמיים מורכבים ויעילים. מרחיב את סיכויי היישום של חומרים מרוכבים מטריצת יהלומים/מתכת ומשפר את הפוטנציאל ההנדסי שלהם.

איור 7 מוצרי ייצור תוספים

(א) מוצרי סדרת דפוס נחושת יהלום, (ב) מוצרי סדרת דפוס יהלומים/אלומיניום, (ג) מוצרי סדרת דפוס חומר קרמי