Terobosan bubuk alumina dalam bahan cetak 3D
Saat memasuki laboratorium Universitas Politeknik Northwestern, sebuah laboratorium penyembuhan cahayapencetak 3D Berdengung pelan, dan sinar laser bergerak presisi di dalam bubur keramik. Hanya beberapa jam kemudian, inti keramik dengan struktur kompleks seperti labirin terpampang sepenuhnya – yang akan digunakan untuk mencetak bilah turbin mesin pesawat. Profesor Su Haijun, yang bertanggung jawab atas proyek ini, menunjuk komponen yang rumit itu dan berkata: "Tiga tahun lalu, kami bahkan tidak berani memikirkan presisi seperti itu. Terobosan kuncinya tersembunyi dalam bubuk alumina yang tak terlihat ini."
Dahulu kala, keramik alumina bagaikan “mahasiswa bermasalah” di bidangpencetakan 3D– kekuatan tinggi, tahan suhu tinggi, insulasi yang baik, tetapi setelah dicetak, banyak masalah yang muncul. Dalam proses tradisional, bubuk alumina memiliki fluiditas yang buruk dan sering kali menyumbat kepala cetak; tingkat penyusutan selama sintering bisa mencapai 15%-20%, dan komponen yang dicetak dengan susah payah akan berubah bentuk dan retak segera setelah dibakar; struktur yang rumit? Ini bahkan lebih mewah. Para insinyur merasa khawatir: "Benda ini seperti seniman yang keras kepala, dengan ide-ide liar tetapi tidak cukup tenaga."
1. Formula Rusia: Menempatkan “baju besi keramik” padaaluminiummatriks
Titik balik pertama kali datang dari revolusi desain material. Pada tahun 2020, ilmuwan material dari Universitas Sains dan Teknologi Nasional (NUST MISIS) Rusia mengumumkan sebuah teknologi disruptif. Alih-alih hanya mencampur bubuk aluminium oksida, mereka memasukkan bubuk aluminium dengan kemurnian tinggi ke dalam autoklaf dan menggunakan oksidasi hidrotermal untuk "menumbuhkan" lapisan film aluminium oksida dengan ketebalan yang dapat dikontrol secara presisi pada permukaan setiap partikel aluminium, layaknya melapisi bola aluminium dengan lapisan pelindung nano. Bubuk "struktur inti-cangkang" ini menunjukkan kinerja yang luar biasa selama pencetakan 3D laser (teknologi SLM): kekerasannya 40% lebih tinggi daripada material aluminium murni, dan stabilitas suhu tingginya sangat ditingkatkan, sehingga langsung memenuhi persyaratan kelas penerbangan.
Profesor Alexander Gromov, pemimpin proyek, memberikan analogi yang gamblang: "Dulu, material komposit ibarat salad – masing-masing mengurus urusannya sendiri; serbuk kami ibarat sandwich – aluminium dan alumina saling menggigit lapis demi lapis, dan keduanya tak dapat hidup tanpa satu sama lain." Ikatan kuat ini memungkinkan material ini menunjukkan kehebatannya pada komponen mesin pesawat dan rangka bodi ultra-ringan, bahkan mulai menantang dominasi paduan titanium.
2. Kearifan Tiongkok: keajaiban “pengaturan” keramik
Masalah terbesar dalam pencetakan keramik alumina adalah penyusutan sintering – bayangkan Anda menguleni patung tanah liat dengan hati-hati, dan langsung menyusut seukuran kentang begitu dimasukkan ke dalam oven. Seberapa besar penyusutannya? Pada awal 2024, hasil yang dipublikasikan oleh tim Profesor Su Haijun di Universitas Politeknik Northwestern dalam Jurnal Ilmu & Teknologi Material menggemparkan industri: mereka mendapatkan inti keramik alumina yang hampir tanpa penyusutan dengan tingkat penyusutan hanya 0,3%.
Rahasianya adalah menambahkanbubuk aluminiumke alumina dan kemudian memainkan “suasana ajaib” yang tepat.
Tambahkan bubuk aluminium: Campurkan 15% bubuk aluminium halus ke dalam bubur keramik
Kontrol atmosfer: Gunakan perlindungan gas argon di awal sintering untuk mencegah bubuk aluminium teroksidasi
Peralihan cerdas: Saat suhu naik hingga 1400°C, tiba-tiba alihkan atmosfer ke udara
Oksidasi in-situ: Serbuk aluminium langsung meleleh menjadi tetesan dan teroksidasi menjadi aluminium oksida, dan ekspansi volume mengimbangi kontraksi
3. Revolusi pengikat: bubuk aluminium berubah menjadi “lem tak terlihat”
Sementara tim Rusia dan Tiongkok bekerja keras dalam modifikasi serbuk, jalur teknis lain telah perlahan berkembang – menggunakan serbuk aluminium sebagai pengikat. Keramik tradisionalpencetakan 3DBahan pengikat sebagian besar berupa resin organik, yang akan meninggalkan rongga jika terbakar selama proses degreasing. Paten tim domestik tahun 2023 mengambil pendekatan berbeda: mengubah bubuk aluminium menjadi bahan pengikat berbasis air47.
Selama pencetakan, nosel secara akurat menyemprotkan "lem" yang mengandung 50-70% bubuk aluminium pada lapisan bubuk aluminium oksida. Pada tahap degreasing, vakum ditarik dan oksigen dialirkan, lalu bubuk aluminium dioksidasi menjadi aluminium oksida pada suhu 200-800°C. Karakteristik ekspansi volume lebih dari 20% memungkinkannya untuk secara aktif mengisi pori-pori dan mengurangi tingkat penyusutan hingga kurang dari 5%. "Ini setara dengan membongkar perancah dan membangun dinding baru secara bersamaan, mengisi lubang Anda sendiri!" seorang insinyur menggambarkannya demikian.
4. Seni partikel: kemenangan bubuk bulat
"Penampilan" bubuk alumina secara tak terduga telah menjadi kunci terobosan – penampakan ini mengacu pada bentuk partikelnya. Sebuah studi dalam jurnal "Open Ceramics" pada tahun 2024 membandingkan kinerja bubuk alumina berbentuk bola dan tidak beraturan dalam pencetakan deposisi fusi (CF³)5:
Bubuk bulat: mengalir seperti pasir halus, tingkat pengisian melebihi 60%, dan hasil cetakan halus dan lembut
Bubuk tidak beraturan: menempel seperti gula kasar, viskositasnya 40 kali lebih tinggi, dan nosel tersumbat untuk meragukan kehidupan
Lebih hebatnya lagi, kepadatan komponen yang dicetak dengan bubuk bulat dengan mudah melampaui 89% setelah sintering, dan hasil akhir permukaannya langsung memenuhi standar. "Siapa yang masih menggunakan bubuk 'jelek' sekarang? Fluiditas adalah efektivitas tempur!" Seorang teknisi tersenyum dan menyimpulkan5.
Masa Depan: Bintang dan lautan hidup berdampingan dengan yang kecil dan indah
Revolusi pencetakan 3D bubuk alumina masih jauh dari selesai. Industri militer telah memimpin dalam penerapan inti penyusutan mendekati nol untuk memproduksi bilah turbofan; bidang biomedis telah memperhatikan biokompatibilitasnya dan mulai mencetak implan tulang yang dapat disesuaikan; industri elektronik telah menargetkan substrat pembuangan panas – lagipula, konduktivitas termal dan konduktivitas non-listrik alumina tidak tergantikan.