Terobosan bubuk alumina dalam material pencetakan 3D.
Saat memasuki laboratorium Universitas Politeknik Northwestern, sebuah alat pengeringan dengan cahayaprinter 3D Mesin itu berdesis pelan, dan sinar laser bergerak dengan tepat di dalam bubur keramik. Hanya beberapa jam kemudian, inti keramik dengan struktur kompleks seperti labirin telah sepenuhnya terbentuk – inti ini akan digunakan untuk mencetak bilah turbin mesin pesawat terbang. Profesor Su Haijun, yang bertanggung jawab atas proyek tersebut, menunjuk ke komponen yang rumit itu dan berkata: “Tiga tahun lalu, kami bahkan tidak berani memikirkan ketelitian seperti ini. Terobosan kuncinya tersembunyi dalam bubuk alumina yang tidak mencolok ini.”
Dahulu kala, keramik alumina ibarat "siswa bermasalah" di bidang...pencetakan 3D– Kekuatan tinggi, tahan suhu tinggi, isolasi yang baik, tetapi setelah dicetak, muncul banyak masalah. Dengan proses tradisional, bubuk alumina memiliki fluiditas yang buruk dan seringkali menyumbat kepala cetak; tingkat penyusutan selama sintering bisa mencapai 15%-20%, dan bagian yang dicetak dengan susah payah akan berubah bentuk dan retak segera setelah dipanaskan; struktur yang kompleks? Itu bahkan lebih sulit lagi. Para insinyur merasa khawatir: “Benda ini seperti seniman yang keras kepala, dengan ide-ide liar tetapi tidak cukup tangan.”
1. Formula Rusia: Memasang “perisai keramik” padaaluminiummatriks
Titik balik pertama kali muncul dari revolusi dalam desain material. Pada tahun 2020, para ilmuwan material dari Universitas Sains dan Teknologi Nasional (NUST MISIS) Rusia mengumumkan teknologi yang inovatif. 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, seperti melapisi bola aluminium dengan lapisan pelindung nano. Bubuk dengan "struktur inti-kulit" ini menunjukkan kinerja yang luar biasa selama pencetakan 3D laser (teknologi SLM): kekerasannya 40% lebih tinggi daripada material aluminium murni, dan stabilitas suhu tinggi sangat meningkat, langsung memenuhi persyaratan kelas penerbangan.
Profesor Alexander Gromov, pemimpin proyek, membuat analogi yang jelas: “Di masa lalu, material komposit seperti salad – masing-masing bertanggung jawab atas urusannya sendiri; bubuk kami seperti sandwich – aluminium dan alumina saling menggigit lapis demi lapis, dan keduanya tidak dapat hidup tanpa yang lain.” Keterkaitan yang kuat ini memungkinkan material tersebut menunjukkan keunggulannya dalam komponen mesin pesawat terbang dan rangka bodi ultra-ringan, dan bahkan mulai menantang dominasi paduan titanium.
2. Kearifan Tiongkok: keajaiban "menata" keramik
Kendala terbesar dalam pencetakan keramik alumina adalah penyusutan saat sintering – bayangkan Anda dengan hati-hati menguleni sebuah figur tanah liat, dan figur tersebut menyusut hingga seukuran kentang begitu masuk ke dalam oven. Seberapa besar penyusutannya? Pada awal tahun 2024, hasil yang dipublikasikan oleh tim Profesor Su Haijun di Northwestern Polytechnical University dalam Journal of Materials Science & Technology menggemparkan industri: mereka mendapatkan inti keramik alumina dengan penyusutan hampir nol, hanya 0,3%.
Rahasianya adalah menambahkanbubuk aluminiumke alumina dan kemudian memainkan "keajaiban atmosfer" yang tepat.
Tambahkan bubuk aluminium: Campurkan 15% bubuk aluminium halus ke dalam bubur keramik.
Kendalikan atmosfer: Gunakan perlindungan gas argon di awal proses sintering untuk mencegah oksidasi serbuk aluminium.
Pengalihan cerdas: Saat suhu naik hingga 1400°C, secara 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 pada modifikasi bubuk, jalur teknis lain telah berkembang secara diam-diam – menggunakan bubuk aluminium sebagai pengikat. Keramik tradisionalpencetakan 3DBahan pengikat sebagian besar berupa resin organik, yang akan meninggalkan rongga ketika terbakar selama proses penghilangan lemak. Paten tim dalam negeri tahun 2023 mengambil pendekatan yang berbeda: menjadikan bubuk aluminium sebagai bahan pengikat berbasis air47.
Selama proses pencetakan, nosel menyemprotkan "lem" yang mengandung 50-70% bubuk aluminium secara akurat pada lapisan bubuk aluminium oksida. Pada tahap penghilangan lemak, vakum ditarik dan oksigen dialirkan, dan bubuk aluminium dioksidasi menjadi aluminium oksida pada suhu 200-800°C. Karakteristik ekspansi volume lebih dari 20% memungkinkan material ini 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, menambal lubang sendiri!" seorang insinyur menggambarkannya seperti itu.
4. Seni partikel: kemenangan bubuk bulat
“Penampilan” bubuk alumina secara tak terduga menjadi kunci terobosan – penampilan ini mengacu pada bentuk partikel. Sebuah studi dalam jurnal “Open Ceramics” pada tahun 2024 membandingkan kinerja bubuk alumina berbentuk bulat dan tidak beraturan dalam pencetakan fused deposition (CF³)5:
Bubuk berbentuk bulat: mengalir seperti pasir halus, tingkat pengisian melebihi 60%, dan hasil cetakannya halus dan lembut.
Bubuk tidak beraturan: lengket seperti gula kasar, viskositasnya 40 kali lebih tinggi, dan nosel tersumbat sehingga diragukan ketahanannya.
Lebih baik lagi, kepadatan bagian yang dicetak dengan bubuk bulat dengan mudah melebihi 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 menyimpulkan.
Masa Depan: Bintang dan laut hidup berdampingan dengan hal-hal kecil dan indah.
Revolusi pencetakan 3D bubuk alumina masih jauh dari selesai. Industri militer telah memimpin dalam menerapkan inti dengan penyusutan mendekati nol untuk memproduksi bilah turbofan; bidang biomedis telah tertarik pada biokompatibilitasnya dan mulai mencetak implan tulang yang disesuaikan; industri elektronik telah menargetkan substrat pembuangan panas – bagaimanapun, konduktivitas termal dan konduktivitas non-listrik alumina tidak tergantikan.