Harbinin teknillinen yliopisto teki uuden läpimurron timantti-3D-tulostustekniikassa

Tiivistelmä: Professori Zhu Jiaqi Harbinin teknillisestä yliopistosta ehdotti äskettäin menetelmää alkion tarkkuuden kyllästymisen säätämiseksi sideaineen ruiskutuslisäaineen tuotannossa, joka perustuu nopeaan in situ -kovetusprosessiin.

Lähde: Materiaalitiede ja -tekniikka

Äskettäin Harbinin teknillisen yliopiston professori Zhu Jiaqi ehdotti menetelmää alkion tarkkuuden kyllästymisen säätämiseksi sideaineen suihkelisäaineen valmistusprosessissa, joka perustuu nopeaan in situ -kovetusprosessiin. Tällä menetelmällä voidaan toteuttaa korkean tarkkuuden/kyllästysalkion muodostuminen ja itse sideaineen vahvuuden ja alkion lujuuden välistä sisäistä suhdetta voidaan vahvistaa suurimmassa määrin, millä on suuri merkitys perustutkimuksen kannalta. muodostumisen laatu liima-lisäaineiden valmistuksen alalla.

Olennaisia ​​saavutuksia julkaistiin Additive Manufacturingissa, kansainvälisessä lisäainevalmistuksen huippulehdessä, otsikolla Overcoming the penetration – säästää vaihtokauppaa sideainesuihkulisäaineiden valmistuksessa nopealla in situ -leikkauksella.

Paperilinkki: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103157

Tutkimus tausta

Timantti/metallimatriisikomposiitteja pidetään seuraavan sukupolven lämmönhallintamateriaaleina niiden korkean lämmönjohtavuuden ja alhaisen lämpölaajenemisen vuoksi, ja niillä on suuret sovellusmahdollisuudet. Timantin korkean kovuuden vuoksi tällä hetkellä ei kuitenkaan ole olemassa hyvää jälkikäsittelymenetelmää, kuten kiillotus ja kiillotus, joten timantti/metallimatriisikomposiittien lähes verkon muodostusprosessi on nykyisen tutkimuksen painopiste. Niistä timantti/metallimatriisikomposiittien 3D-tulostustekniikka on herättänyt laajaa huomiota.

Binder Jetting (BJ) on 3D-tulostustekniikka, jota voidaan soveltaa erilaisiin materiaaleihin. Käsittelyn aikana sideaine kerrostetaan suunnattuna jauhepedille alkion tuottamiseksi, jolla on monimutkainen kolmiulotteinen rakenne. Sideaineen ja jauheen vuorovaikutukseen vaikuttavat kyseessä olevan kiinteä-neste-järjestelmän fysikaaliset ominaisuudet ja jauhepedin huokosrakenne, mikä vaikeuttaa koko painatusprosessin tarkkaa kuvaamista yksinkertaisella fysikaalisella mallilla. PSTO:n vuoksi BJ:n tuottamien alkioiden koon tarkkuuden ja vahvuuden välillä on väistämätön ristiriita. Alkion rungon vahvuus kasvaa tehollisen kyllästymisen kasvaessa, mutta tunkeutumisetäisyyden kasvaminen vaikuttaa haitallisesti sen kokotarkkuuteen. PSTO:n voittamiseksi tutkijat keskittyvät usein prosessointiparametrien (kuten jauheen hiukkaskoon, kerrospaksuuden tai kuivausolosuhteiden) optimointiin. Vaikka tutkijat ovat tehneet paljon työtä tällä alueella, PSTO-ongelmaa ei ole ratkaistu hyvin.

Kuva 1 Sideaineen ruiskutusperiaatteen kaavio

tutkimuksen sisällöstä

Tässä tutkimuksessa PSTO:n voittamiseksi tutkimusryhmä kehitti itsekehitettyyn akryyliliimaan perustuvan nopean in situ -kovettumisen (liimojen nopea kovettuminen painatuksen aikana) liimasuihkelisäaineen valmistusteknologian. Puhtaan kuparijauheen käyttö painomateriaalina on luonut pohjan timantti/kuparikomposiittien additiivinen valmistuksen tutkimukselle.

Kuva 2 Nopeasti kovettuvan akryyliliiman suorituskyvyn karakterisointi

(a) sideaineen TGA- ja DSC-käyrät, (b) sideaineen DSC-käyrät, (c) eri lämpötiloissa kuumennetun sideaineen FTIR ilman TBPB:tä, (d) FTIR 2 painoprosenttia TBPB-sideainetta, joka on kuumennettu eri lämpötiloissa

Kuvassa 3 on esitetty tunkeutumisetäisyyden ja mustesuihkuajan välinen suhde. Näytteissä, joita ei koveteta in situ (liima ei koveteta painoprosessin aikana), tunkeutumisetäisyys riippuu pääasiassa yksittäisen mustesuihkun määrästä, joka kasvaa hieman mustesuihkun määrän kasvaessa. Päinvastoin, in situ jähmettyneissä näytteissä tunkeutumisetäisyys kasvoi merkittävästi mustesuihkun määrän kasvaessa.

Kuva 3 Permeaatioetäisyyden, kylläisyyden ja ruiskutusaikojen välinen suhde

(a) Non-situ -kovetus, (b) in situ -kovetus

Puoliksi in situ -kovetustilassa (perinteinen prosessi liiman kovettamiseksi infrapunalampulla) tunkeutumisetäisyys liittyy pääasiassa yksikerroksisen liiman kokonaismäärään, ja tunkeutumisetäisyys kasvaa ruiskutettavan liiman määrän kasvaessa. Koska kuhunkin kerrokseen liittyvä kylläisyys on päällekkäin monikerroksisessa painetussa näytteessä, monikerroksisen painetun näytteen kylläisyys ylittää yksikerroksisen painetun näytteen kylläisyyden. Verrattuna ei-in situ -kovettuvaan tulostusmenetelmään, puoli-in situ -kovetuksella samalla kylläisyydellä on pienempi tunkeutumisetäisyys, mikä osoittaa, että puoli-in situ -kovetus voi lyhentää tunkeutumisetäisyyttä tietyssä määrin ja voittaa PSTO:n. Yllä olevan analyysin perusteella muodostettiin liimojen tunkeutumismallit eri prosesseissa.

Kuva 4 Imeytymisprosessimallin muodostaminen eri prosesseissa

(a) Non-situ -kovetus, (b) puoliksi in situ -kovetus, (c) in situ -kovetus

Suhde tunkeutumisetäisyyden ja kyllästymisen välillä on esitetty kuvassa 5. Ei-in situ -kovetusolosuhteissa tunkeutumisetäisyys riippuu pääasiassa yksittäisen sideaineen ruiskutuksen määrästä, ja kyllästyminen kasvaa sideaineinjektioiden lukumäärän myötä; Tietyllä kylläisyydellä in situ jähmettyneen painonäytteen tunkeutumisetäisyys on pienin, mikä voittaa perinteisen BJ:n tuoman PSTO:n.

Kuva 5 Läpäisevyysetäisyyden ja kylläisyyden välinen suhde

Yhteenveto ja näkymä

Tässä tutkimuksessa tutkimusryhmä kehitti metakrylaattiliimajärjestelmän termisellä initiaatiolla ja nopealla kovetuksella, mikä osoitti, että in situ -kovetusolosuhteet voivat parantaa alkioiden tulostustarkkuutta ja lujuutta. Yksikerroksisia ja monikerroksisia painatuskokeita suoritettiin sideainejauhejärjestelmän painatusominaisuuksien määrittämiseksi erilaisissa painatus- ja kovetusolosuhteissa, mikä tarjosi perustan in situ-, semi in situ- ja in situ -tulostuksen fyysisten mallien johtamiselle. . Lisäksi käsiteltiin kyllästymisen ja tunkeutumisetäisyyden välistä suhdetta, joka liittyy erilaisiin kovettumisolosuhteisiin. Tämä tutkimus tarjoaa referenssin in situ -kovettuvien (UV- tai lämpöaktivoitujen) liimojen ja painotekniikan edelleen kehittämiselle.

Muutos ja soveltaminen

Esimerkkinä timantti/kuparikomposiitit, kuparilla ja sen seoksilla on erinomainen lämmönjohtavuus (350 W/m · K) ja erinomainen taivutuskestävyys, ja niitä käytetään laajasti korkean suorituskyvyn lämmönhallintamateriaaleissa. Timantti on materiaali, jolla on korkein lämmönjohtavuus luonnossa, ja sen lämmönjohtavuus voi olla jopa 2000 W/m · K. Siksi rakenne/lämmönjohtavuus integroitu materiaali, jossa on timantti/kupari-komposiittia, koska järjestelmällä on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, mutta sillä on myös korkea lämmönjohtavuus, yli 700 W/m · K ja alle 10 × Alhainen lämpölaajenemiskerroin 10-6 on potentiaalisin materiaali elektronisten laitteiden lämmönpoisto-ongelman ratkaisemiseksi. Jatkossa timantti/kupari-komposiittien käyttö ei rajoitu perusmuotoihin, kuten pyöreään kuusikulmioon, ja heterogeenisten timantti/metalliseoskomposiittien kysyntä kasvaa. Timanttimateriaali on kuitenkin erittäin kovaa, ja käsittelykustannukset muodostavat yli 65 prosenttia materiaalin kokonaiskustannuksista, mikä tekee perinteisestä kuumapuristussintrauksesta ja muista menetelmistä tehottomia. Tämä tekniikka tarjoaa hyvän idean timantti/kupari ja muiden timantti/metallimatriisikomposiittien erittäin tarkkaan lisäainevalmistukseen ja tuo uutta elinvoimaa timantti/kuparimateriaalien lisäainevalmistustutkimukseen. Sillä on suuri sovelluspotentiaali tutkassa, uusissa energiaajoneuvoissa, voimalaitteissa, 3C-elektroniikassa ja muissa rakenteellisissa lämmönpoistoin integroiduissa korkean lämpövuon kentissä.

Laboratorio kehitti itsenäisesti sarjan timantti/metallimatriisikomposiitteja, mukaan lukien timantti/kupari, timantti/titaani, timantti/volframi, timantti/nikkeli jne., mutta niihin rajoittumatta, ja kehitti vastaavat erävalmistusprosessit. Mikromittakaavan materiaalien mikrorakenteen perusteella muodostetaan lämmönsiirtomalli. Yhdistettynä karbidikiteiden kasvuprosessin simulointiin ja rajapinnan lämpöresistanssin kiderakennemallin laskemiseen saadaan päätökseen komposiittirajapinnan lämmönsiirron laskentaperiaatteen kehitys ja optimointi. Alkuperäinen ohjattava timanttimetallointiprosessi takaa timantti/metallimatriisikomposiittien lämmönjohtavuuden monimittaisen optimoinnin.

Kuva 6 Laboratorion itsenäisesti kehittämät timantti/kuparijauhetuotteet

Timantti/metallimatriisijauhemateriaalien tutkimuksen ja kehityksen sekä additiivinen valmistusprosessin optimoinnin perusteella laboratorio kehitti alumiinin ja kuparin edustaman timantti/metalli-komposiittimateriaalin, joka soveltuu heterogeenisten osien muovaukseen. Lämmönjohtavuus on jopa 700 W/m · K, ja lämpölaajenemiskerroin on pienempi tai yhtä suuri kuin 10 × 10-6, lujuus 220 MPa, ja sillä on valtava sovelluspotentiaali lämmönhallinnan alalla. Monimittaisen lämmönjohtavuusrakenteen optimoinnin avulla timantti/kupari-komposiittien lämmönhallintatehokkuus paranee, komposiittien alhaisen lämmönjohtavuuden pullonkaula murtuu ja monimutkaisten ja tehokkaiden lämmönhallintarakenteiden suunnittelu ja valmistus toteutetaan, mikä suuresti laajentaa timantti/metallimatriisikomposiittien sovellusmahdollisuuksia ja parantaa niiden suunnittelupotentiaalia.

Kuva 7 Lisäainevalmistustuotteet

(a) Timanttikuparipainosarjatuotteet, (b) timantti-/alumiinipainosarjatuotteet, (c) keraamisten materiaalien painosarjatuotteet