مسحوق الألومينا يحقق اختراقًا في مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد
عند الدخول إلى مختبر جامعة نورث وسترن بوليتكنيك، يتم إجراء عملية معالجة بالضوءطابعة ثلاثية الأبعاد يُصدر صوت طنين خفيف، ويتحرك شعاع الليزر بدقة في الطين الخزفي. بعد بضع ساعات فقط، يُعرض نواة خزفية بهيكل معقد يشبه المتاهة بالكامل - سيتم استخدامها في صب شفرات توربينات محركات الطائرات. أشار البروفيسور سو هايجون، المسؤول عن المشروع، إلى المكون الدقيق وقال: "قبل ثلاث سنوات، لم نجرؤ حتى على التفكير في مثل هذه الدقة. يكمن الإنجاز الرئيسي في مسحوق الألومينا غير الملحوظ هذا".
ذات مرة، كانت سيراميك الألومينا بمثابة "طالب مشكلة" في مجالالطباعة ثلاثية الأبعاد- قوة عالية، ومقاومة عالية للحرارة، وعزل جيد، ولكن بعد طباعته، واجه العديد من المشاكل. في العمليات التقليدية، يكون مسحوق الألومينا ضعيف السيولة، وغالبًا ما يعيق رأس الطباعة؛ ويمكن أن يصل معدل الانكماش أثناء التلبيد إلى 15%-20%، والأجزاء التي طُبعت بجهد كبير تتشوه وتتشقق بمجرد احتراقها؛ أما بالنسبة للهياكل المعقدة، فهي أكثر من ذلك بكثير. يشعر المهندسون بالقلق: "هذا الشيء أشبه بفنان عنيد، لديه أفكار جامحة، لكن أيديهم محدودة".
1. الصيغة الروسية: وضع "الدروع الخزفية" علىالألومنيوممصفوفة
كانت نقطة التحول الأولى هي الثورة في تصميم المواد. في عام 2020، أعلن علماء المواد من الجامعة الوطنية للعلوم والتكنولوجيا (NUST MISIS) في روسيا عن تقنية ثورية. فبدلاً من مجرد خلط مسحوق أكسيد الألومنيوم، وضعوا مسحوق ألومنيوم عالي النقاء في وعاء ضغط، واستخدموا الأكسدة الحرارية المائية لتكوين طبقة من غشاء أكسيد الألومنيوم بسمك يمكن التحكم فيه بدقة على سطح كل جسيم من الألومنيوم، تمامًا كما لو كانوا يضعون طبقة من الدروع النانوية على كرة الألومنيوم. يُظهر هذا المسحوق، ذو "هيكل النواة والقشرة"، أداءً مذهلاً أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر (تقنية SLM): صلابته أعلى بنسبة 40% من صلابة مواد الألومنيوم النقية، كما تم تحسين استقراره في درجات الحرارة العالية بشكل كبير، مما يُلبي متطلبات صناعة الطيران بشكل مباشر.
قدّم البروفيسور ألكسندر جروموف، قائد المشروع، تشبيهًا واضحًا: "في الماضي، كانت المواد المركبة أشبه بالسلطات - كلٌّ منها مسؤول عن أعماله الخاصة؛ أما مساحيقنا فهي أشبه بالسندويشات - الألمنيوم والألومينا يلتصقان ببعضهما طبقةً طبقة، ولا يمكن لأيٍّ منهما الاستغناء عن الآخر". هذا الترابط القوي يسمح للمادة بإظهار براعتها في أجزاء محركات الطائرات وهياكل الهياكل فائقة الخفة، بل ويبدأ حتى بتحدي مجال سبائك التيتانيوم.
2. الحكمة الصينية: سحر "تثبيت" السيراميك
أكبر مشكلة في طباعة سيراميك الألومينا هي انكماش التلبيد. تخيل أنك عجنت تمثالًا طينيًا بعناية، وانكمش إلى حجم حبة بطاطس بمجرد دخوله الفرن. ما مقدار الانكماش الذي سيصل إليه؟ في أوائل عام ٢٠٢٤، أثارت النتائج التي نشرها فريق البروفيسور سو هايجون من جامعة نورث وسترن بوليتكنيك في مجلة علوم وتكنولوجيا المواد ثورةً في هذا المجال: فقد حصلوا على لب سيراميك الألومينا شبه معدوم الانكماش، بمعدل انكماش ٠.٣٪ فقط.
السر هو الإضافةمسحوق الألومنيومإلى الألومينا ثم تشغيل "سحر الغلاف الجوي" الدقيق.
إضافة مسحوق الألومنيوم: اخلط 15% من مسحوق الألومنيوم الناعم في الملاط الخزفي
التحكم في الغلاف الجوي: استخدم حماية غاز الأرجون في بداية التلبيد لمنع أكسدة مسحوق الألومنيوم
التبديل الذكي: عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 1400 درجة مئوية، قم بالتبديل فجأة إلى الهواء
الأكسدة في الموقع: يذوب مسحوق الألومنيوم على الفور في قطرات ويتأكسد إلى أكسيد الألومنيوم، ويعوض التوسع في الحجم الانكماش
3. ثورة في المواد الرابطة: مسحوق الألمنيوم يتحول إلى "غراء غير مرئي"
بينما تعمل الفرق الروسية والصينية بجد على تعديل المسحوق، نضج مسار تقني آخر بهدوء، وهو استخدام مسحوق الألومنيوم كمادة رابطة. السيراميك التقليديالطباعة ثلاثية الأبعادالمواد الرابطة هي في الغالب راتنجات عضوية، والتي تترك تجاويف عند حرقها أثناء إزالة الشحوم. براءة اختراع فريق محلي لعام ٢٠٢٣ تتبع نهجًا مختلفًا: تحويل مسحوق الألومنيوم إلى مادة رابط مائية.
أثناء الطباعة، تُرشّ الفوهة بدقة "غراءً" يحتوي على 50-70% من مسحوق الألومنيوم على طبقة مسحوق أكسيد الألومنيوم. في مرحلة إزالة الشحوم، يُسحب الهواء ويُمرّر الأكسجين، ويتأكسد مسحوق الألومنيوم إلى أكسيد الألومنيوم عند درجة حرارة تتراوح بين 200 و800 درجة مئوية. تسمح خاصية التمدد الحجمي لأكثر من 20% بملء المسام بفعالية وتقليل معدل الانكماش إلى أقل من 5%. "يُعادل هذا تفكيك السقالة وبناء جدار جديد في آنٍ واحد، ملء ثقوبك بنفسك!" هكذا وصف أحد المهندسين.
4. فن الجسيمات: انتصار المسحوق الكروي
أصبح "مظهر" مسحوق الألومينا، على نحو غير متوقع، مفتاحًا للاختراقات العلمية - يشير هذا المظهر إلى شكل الجسيمات. قارنت دراسة نُشرت في مجلة "أوبن سيراميكس" عام ٢٠٢٤ أداء مساحيق الألومينا الكروية وغير المنتظمة في طباعة الترسيب المنصهر (CF³)5:
مسحوق كروي: يتدفق مثل الرمل الناعم، ومعدل التعبئة يتجاوز 60٪، والطباعة ناعمة وحريرية
مسحوق غير منتظم: عالق مثل السكر الخشن، اللزوجة أعلى 40 مرة، والفوهة مسدودة للشك في الحياة
والأفضل من ذلك، أن كثافة الأجزاء المطبوعة بالمسحوق الكروي تتجاوز 89% بسهولة بعد التلبيد، كما أن تشطيب السطح يطابق المعايير تمامًا. "من لا يزال يستخدم مسحوقًا "رديءًا" الآن؟ السيولة هي فعالية قتالية!" ابتسم أحد الفنيين واختتم حديثه.
المستقبل: النجوم والبحار تتعايش مع الأشياء الصغيرة والجميلة
ثورة الطباعة ثلاثية الأبعاد لمسحوق الألومينا لم تنتهِ بعد. فقد تبوأت الصناعة العسكرية زمام المبادرة في استخدام أنوية انكماش شبه منعدم لتصنيع شفرات التوربينات المروحية؛ كما اهتم المجال الطبي الحيوي بتوافقه الحيوي وبدأ بطباعة غرسات عظمية مُخصصة؛ واستهدفت صناعة الإلكترونيات ركائز تبديد الحرارة - ففي النهاية، لا يمكن الاستغناء عن الموصلية الحرارية وغير الكهربائية للألومينا.