Το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας του Χάρμπιν έκανε μια νέα σημαντική ανακάλυψη στην τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης με διαμάντια

Περίληψη πυρήνα: Πρόσφατα, ο καθηγητής Zhu Jiaqi του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου Harbin πρότεινε μια μέθοδο για την προσαρμογή της ακρίβειας του κορεσμού του εμβρύου στην παραγωγή πρόσθετου ψεκασμού συνδετικού υλικού με βάση τη διαδικασία ταχείας επί τόπου σκλήρυνσης.

Πηγή: Επιστήμη και Μηχανική Υλικών

Πρόσφατα, ο καθηγητής Zhu Jiaqi του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου Harbin πρότεινε μια μέθοδο για την προσαρμογή της ακρίβειας κορεσμού του εμβρύου στη διαδικασία παραγωγής πρόσθετου ψεκασμού συνδετικού υλικού με βάση τη διαδικασία ταχείας επί τόπου σκλήρυνσης. Σύμφωνα με αυτή τη μέθοδο, μπορεί να πραγματοποιηθεί ο σχηματισμός εμβρύου υψηλής ακρίβειας/κορεσμού και η εσωτερική σχέση μεταξύ της αντοχής του ίδιου του συνδετικού υλικού και της αντοχής του εμβρύου μπορεί να ενισχυθεί στο μέγιστο βαθμό, κάτι που έχει μεγάλη σημασία για τη βασική έρευνα για την ποιότητα σχηματισμού στον τομέα της παραγωγής πρόσθετων κόλλας.

Σχετικά επιτεύγματα δημοσιεύθηκαν στο Additive Manufacturing, ένα διεθνές κορυφαίο περιοδικό παραγωγής πρόσθετων, με τον τίτλο Overcoming the penetration – saving trade off στην κατασκευή πρόσθετων με εκτόξευση συνδετικών μέσω ταχείας in situ κοπής.

Σύνδεσμος χαρτιού: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103157

Ερευνητικό υπόβαθρο

Τα σύνθετα υλικά διαμαντιού/μήτρας μετάλλου θεωρούνται ως η επόμενη γενιά υλικών θερμικής διαχείρισης λόγω της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και της χαμηλής θερμικής διαστολής τους και έχουν μεγάλες προοπτικές εφαρμογής. Ωστόσο, λόγω της υψηλής σκληρότητας του διαμαντιού, δεν υπάρχει επί του παρόντος καλή μέθοδος μετά την επεξεργασία, όπως η στίλβωση και η στίλβωση, επομένως η διαδικασία σχηματισμού σχεδόν διχτυού των σύνθετων υλικών διαμαντιού/μεταλλικής μήτρας είναι το επίκεντρο της τρέχουσας έρευνας. Μεταξύ αυτών, η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης των σύνθετων υλικών μήτρας διαμαντιού/μετάλλου έχει προσελκύσει εκτεταμένη προσοχή.

Το Binder Jetting (BJ) είναι μια τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης που εφαρμόζεται σε διάφορα υλικά. Κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας, το συνδετικό εναποτίθεται κατευθυντικά στο στρώμα σκόνης για να παραχθεί έμβρυο με πολύπλοκη τρισδιάστατη δομή. Η αλληλεπίδραση μεταξύ συνδετικού και σκόνης επηρεάζεται από τις φυσικές ιδιότητες του σχετικού συστήματος στερεού-υγρού και τη δομή πόρων του στρώματος σκόνης, γεγονός που καθιστά δύσκολη την ακριβή περιγραφή ολόκληρης της διαδικασίας εκτύπωσης με ένα απλό φυσικό μοντέλο. Λόγω του PSTO, υπάρχει μια αναπόφευκτη αντίφαση μεταξύ της ακρίβειας μεγέθους και της αντοχής των εμβρύων που παράγονται από την BJ. Η αντοχή του σώματος του εμβρύου αυξάνεται με την αύξηση του αποτελεσματικού κορεσμού, αλλά η αύξηση της απόστασης διείσδυσης έχει αρνητικές επιπτώσεις στην ακρίβεια του μεγέθους του. Προκειμένου να ξεπεραστεί το PSTO, οι ερευνητές συχνά επικεντρώνονται στη βελτιστοποίηση των παραμέτρων επεξεργασίας (όπως το μέγεθος σωματιδίων σκόνης, το πάχος του στρώματος ή οι συνθήκες ξήρανσης). Αν και οι ερευνητές έχουν κάνει μεγάλες προσπάθειες σε αυτόν τον τομέα, το πρόβλημα του PSTO δεν έχει λυθεί καλά.

Εικ. 1 Σχηματικό διάγραμμα αρχής έγχυσης συνδετικού

ερευνητικά περιεχόμενα

Σε αυτή τη μελέτη, προκειμένου να ξεπεραστεί το PSTO, η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε μια τεχνολογία παραγωγής πρόσθετων κόλλας με σπρέι ταχείας επί τόπου σκλήρυνσης (ταχεία σκλήρυνση κόλλας κατά την εκτύπωση) βασισμένη στην αυτο-αναπτυγμένη ακρυλική κόλλα. Η χρήση σκόνης καθαρού χαλκού ως υλικό εκτύπωσης έθεσε τα θεμέλια για την έρευνα σχετικά με την παραγωγή πρόσθετων σύνθετων υλικών διαμαντιού/χαλκού.

Εικ. 2 Χαρακτηρισμός απόδοσης ακρυλικής κόλλας ταχείας ωρίμανσης

(α) Καμπύλες TGA και DSC συνδετικού, (β) καμπύλη DSC συνδετικού, (γ) FTIR συνδετικού χωρίς TBPB θερμαινόμενο σε διαφορετικές θερμοκρασίες, (δ) FTIR 2% κατά βάρος συνδετικό TBPB που θερμαίνεται σε διαφορετικές θερμοκρασίες

Το σχήμα 3 δείχνει τη σχέση μεταξύ της απόστασης διείσδυσης και των χρόνων έγχυσης μελάνης. Στα δείγματα που δεν ωριμάζουν in situ (η κόλλα δεν ωριμάζει κατά τη διαδικασία εκτύπωσης), η απόσταση διείσδυσης εξαρτάται κυρίως από την ποσότητα του απλού ψεκασμού μελάνης, η οποία αυξάνεται ελαφρώς με την αύξηση της ποσότητας του inkjet. Αντίθετα, στα in situ στερεοποιημένα δείγματα, η απόσταση διείσδυσης αυξήθηκε σημαντικά με την αύξηση της ποσότητας του inkjet.

Εικ. 3 Σχέση μεταξύ της απόστασης διαπέρασης, του κορεσμού και των χρόνων έγχυσης

(α) Μη επιτόπια σκλήρυνση, (β) επί τόπου σκλήρυνση

Υπό τις συνθήκες semi in situ σκλήρυνσης (η παραδοσιακή διαδικασία σκλήρυνσης της κόλλας με υπέρυθρη λάμπα), η απόσταση διείσδυσης σχετίζεται κυρίως με τη συνολική ποσότητα κόλλας μονής στρώσης και η απόσταση διείσδυσης αυξάνεται με την αύξηση της ποσότητας της κόλλας που ψεκάζεται. Εφόσον ο κορεσμός που σχετίζεται με κάθε στρώμα επικαλύπτεται στο τυπωμένο δείγμα πολλαπλών στρώσεων, ο κορεσμός του τυπωμένου δείγματος πολλαπλών στρώσεων υπερβαίνει αυτόν του τυπωμένου δείγματος μίας στρώσης. Σε σύγκριση με τη μέθοδο εκτύπωσης μη επιτόπιας σκλήρυνσης, η ημι-επιτόπια σκλήρυνση με τον ίδιο κορεσμό έχει μικρότερη απόσταση διείσδυσης, γεγονός που δείχνει ότι η ημι-επιτόπια σκλήρυνση μπορεί να μειώσει την απόσταση διείσδυσης σε κάποιο βαθμό και να υπερνικήσει το PSTO. Με βάση την παραπάνω ανάλυση, καθιερώθηκαν τα μοντέλα διείσδυσης κόλλων κάτω από διαφορετικές διεργασίες.

Εικ. 4 Καθιέρωση μοντέλου διαδικασίας διείσδυσης κάτω από διαφορετικές διεργασίες

(α) Μη επιτόπια σκλήρυνση, (β) ημι-επιτόπια σκλήρυνση, (γ) επί τόπου σκλήρυνση

Η σχέση μεταξύ της απόστασης διήθησης και του κορεσμού φαίνεται στο Σχήμα 5. Υπό τις συνθήκες μη επιτόπιας σκλήρυνσης, η απόσταση διείσδυσης εξαρτάται κυρίως από την ποσότητα της απλής έγχυσης συνδετικού υλικού και ο κορεσμός αυξάνεται με τον αριθμό των εγχύσεων συνδετικού. Σε έναν συγκεκριμένο κορεσμό, η απόσταση διείσδυσης του in-situ στερεοποιημένου δείγματος εκτύπωσης είναι η χαμηλότερη, κάτι που ξεπερνά το PSTO που φέρνει το παραδοσιακό BJ.

Εικ. 5 Σχέση μεταξύ απόστασης διαπερατότητας και κορεσμού

Περίληψη και προοπτική

Σε αυτή τη μελέτη, η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε ένα σύστημα μεθακρυλικής κόλλας με θερμική εκκίνηση και ταχεία σκλήρυνση, το οποίο απέδειξε ότι οι συνθήκες επιτόπιας σκλήρυνσης μπορούν να βελτιώσουν την ακρίβεια και την αντοχή της εκτύπωσης των εμβρύων. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα εκτύπωσης μονής στρώσης και πολλαπλών στρώσεων για τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών εκτύπωσης του συστήματος σκόνης βιβλιοδέτη υπό διαφορετικές συνθήκες εκτύπωσης και σκλήρυνσης, παρέχοντας μια βάση για την εξαγωγή των φυσικών μοντέλων εκτύπωσης in situ, semi in situ και in situ . Επιπλέον, συζητήθηκε η σχέση μεταξύ κορεσμού και απόστασης διείσδυσης που σχετίζεται με διαφορετικές συνθήκες σκλήρυνσης. Αυτή η μελέτη παρέχει μια αναφορά για την περαιτέρω ανάπτυξη συγκολλητικών και τεχνολογίας εκτύπωσης επί τόπου σκλήρυνσης (UV ή θερμικής ενεργοποίησης).

Μεταμόρφωση και εφαρμογή

Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τα σύνθετα υλικά διαμαντιού/χαλκού, ο χαλκός και τα κράματά του έχουν εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα (350 W/m · K) και εξαιρετική φέρουσα ικανότητα κάμψης και χρησιμοποιούνται ευρέως σε υλικά θερμικής διαχείρισης υψηλής απόδοσης. Το διαμάντι είναι το υλικό με την υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα στη φύση και η θερμική του αγωγιμότητα μπορεί να φτάσει τα 2000 W/m · K. Επομένως, το ενσωματωμένο υλικό δομής/θερμικής αγωγιμότητας με σύνθετο διαμάντι/χαλκό καθώς το σύστημα έχει εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, αλλά έχει επίσης υψηλή θερμική αγωγιμότητα άνω των 700 W/m · K και μικρότερη από 10 × Ο χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής 10-6 είναι το πιο πιθανό υλικό για την επίλυση του προβλήματος της απαγωγής θερμότητας των ηλεκτρονικών συσκευών. Στο μέλλον, η χρήση σύνθετων υλικών διαμαντιού/χαλκού δεν περιορίζεται στα βασικά σχήματα όπως το στρογγυλό εξάγωνο και η ζήτηση για ετερογενή σύνθετα διαμάντια/κράματα μετάλλων αυξάνεται. Ωστόσο, το διαμαντένιο υλικό είναι πολύ σκληρό και το κόστος επεξεργασίας αντιπροσωπεύει περισσότερο από το 65 τοις εκατό του συνολικού κόστους του υλικού, γεγονός που καθιστά την παραδοσιακή πυροσυσσωμάτωση με θερμή συμπίεση και άλλες μεθόδους αναποτελεσματικές. Αυτή η τεχνολογία παρέχει μια καλή ιδέα για την κατασκευή πρόσθετων υψηλής ακρίβειας διαμαντιών/χαλκού και άλλων σύνθετων υλικών με μήτρα διαμαντιού/μετάλλου και δίνει νέα ζωτικότητα στην έρευνα κατασκευής προσθέτων υλικών διαμαντιού/χαλκού. Έχει μεγάλες δυνατότητες εφαρμογής σε ραντάρ, οχήματα νέας ενέργειας, συσκευές ισχύος, ηλεκτρονικά 3C και άλλα ενσωματωμένα πεδία υψηλής ροής θερμότητας δομικής απαγωγής θερμότητας.

Το εργαστήριο ανέπτυξε ανεξάρτητα μια σειρά από σύνθετα υλικά μήτρας διαμαντιού/μετάλλου, συμπεριλαμβανομένων, ενδεικτικά, διαμαντιού/χαλκού, διαμαντιού/τιτανίου, διαμαντιού/βολφραμίου, διαμαντιού/νικελίου κ.λπ., και ανέπτυξε αντίστοιχες διαδικασίες προετοιμασίας παρτίδων. Με βάση τη μικροδομή των υλικών μικροκλίμακας, καθιερώνεται ένα μοντέλο μεταφοράς θερμότητας. Σε συνδυασμό με την προσομοίωση της διαδικασίας ανάπτυξης κρυστάλλων καρβιδίου και τον υπολογισμό του μοντέλου κρυσταλλικής δομής θερμικής αντίστασης διεπαφής, ολοκληρώνεται η ανάπτυξη και η βελτιστοποίηση της αρχής υπολογισμού της μεταφοράς θερμότητας σύνθετης διεπαφής. Η αρχική ελεγχόμενη διαδικασία επιμετάλλωσης διαμαντιών παρέχει εγγύηση για τη βελτιστοποίηση πολλαπλής κλίμακας της θερμικής αγωγιμότητας των σύνθετων υλικών διαμαντιού/μήτρας μετάλλου.

Εικ. 6 Προϊόντα διαμαντιού/σκόνης χαλκού που αναπτύχθηκαν ανεξάρτητα από το εργαστήριο

Με βάση την έρευνα και την ανάπτυξη υλικών σκόνης μήτρας διαμαντιού/μετάλλου και τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας κατασκευής προσθέτων, το εργαστήριο ανέπτυξε ένα σύνθετο υλικό διαμαντιού/μετάλλου που αντιπροσωπεύεται από αλουμίνιο και χαλκό, το οποίο είναι κατάλληλο για τη χύτευση ετερογενών εξαρτημάτων. Η θερμική αγωγιμότητα είναι έως 700 W/m · K και ο συντελεστής θερμικής διαστολής είναι μικρότερος ή ίσος με 10 × 10-6, με ισχύ 220 MPa, έχει τεράστιες δυνατότητες εφαρμογής στον τομέα της θερμικής διαχείρισης. Μέσω της βελτιστοποίησης της δομής θερμικής αγωγιμότητας σε πολλαπλές κλίμακες, βελτιώνεται η αποτελεσματικότητα της θερμικής διαχείρισης των σύνθετων υλικών διαμαντιού/χαλκού, σπάει το σημείο συμφόρησης της χαμηλής συνολικής θερμικής αγωγιμότητας των σύνθετων υλικών και επιτυγχάνεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή πολύπλοκων και αποτελεσματικών δομών θερμικής διαχείρισης, οι οποίες σε μεγάλο βαθμό επεκτείνει τις προοπτικές εφαρμογής των σύνθετων υλικών μήτρας διαμαντιών/μετάλλων και βελτιώνει τις μηχανολογικές τους δυνατότητες.

Εικ. 7 Προϊόντα κατασκευής προσθέτων

(α) προϊόντα σειράς εκτύπωσης χαλκού διαμαντιών, (β) προϊόντα σειράς εκτύπωσης διαμαντιών/αλουμινίου, (γ) προϊόντα σειράς εκτύπωσης κεραμικού υλικού