Harbin University of Technology učinila nový průlom v technologii diamantového 3D tisku

Základní abstrakt: Profesor Zhu Jiaqi z Harbin University of Technology nedávno navrhl metodu pro úpravu přesnosti saturace embrya při výrobě pojiva ve spreji založenou na rychlém procesu vytvrzování in-situ.

Zdroj: Materials Science and Engineering

Nedávno profesor Zhu Jiaqi z Harbin University of Technology navrhl metodu pro úpravu přesnosti saturace embrya v procesu výroby pojivových sprejových přísad na základě rychlého procesu vytvrzování in-situ. Podle této metody lze realizovat tvorbu vysoce přesného/saturačního embrya a v největší míře posílit vnitřní vztah mezi pevností pojiva a pevností embrya, což má velký význam pro základní výzkum kvalita formování v oblasti výroby adhezivních přísad.

Relevantní úspěchy byly publikovány v Additive Manufacturing, mezinárodním špičkovém časopise aditivní výroby, pod názvem Překonání pronikání – úspora kompromisů ve výrobě pojivových tryskových aditiv prostřednictvím rychlého řezání in situ.

Odkaz na papír: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103157

Výzkum pozadí

Kompozity s diamantovou/kovovou matricí jsou považovány za další generaci tepelně řídících materiálů kvůli jejich vysoké tepelné vodivosti a nízké tepelné roztažnosti a mají skvělé vyhlídky na použití. Vzhledem k vysoké tvrdosti diamantu však v současnosti neexistuje žádná dobrá metoda následného zpracování, jako je leštění a leštění, takže proces téměř čistého formování kompozitů s diamantovou/kovovou matricí je středem zájmu současného výzkumu. Mezi nimi přitáhla rozsáhlou pozornost technologie 3D tisku kompozitů s diamantovou/kovovou matricí.

Binder Jetting (BJ) je technologie 3D tisku použitelná na různé materiály. Během zpracování je pojivo směrově nanášeno na práškové lože za vzniku embrya se složitou trojrozměrnou strukturou. Interakce mezi pojivem a práškem je ovlivněna fyzikálními vlastnostmi příslušného systému pevná látka-kapalina a strukturou pórů práškového lože, což ztěžuje přesný popis celého tiskového procesu pomocí jednoduchého fyzikálního modelu. Kvůli PSTO existuje nevyhnutelný rozpor mezi přesností velikosti a silou embryí produkovaných BJ. Pevnost těla embrya se zvyšuje s rostoucí efektivní saturací, ale zvětšování penetrační vzdálenosti má nepříznivý vliv na jeho velikostní přesnost. Aby bylo možné překonat PSTO, výzkumníci se často zaměřují na optimalizaci parametrů zpracování (jako je velikost částic prášku, tloušťka vrstvy nebo podmínky sušení). Přestože výzkumníci v této oblasti vynaložili velké úsilí, problém PSTO nebyl dobře vyřešen.

Obr. 1 Schéma principu vstřikování pojiva

obsah výzkumu

V této studii, s cílem překonat PSTO, výzkumný tým vyvinul technologii výroby aditiva ve spreji pro rychlé vytvrzování in-situ (rychlé vytvrzování lepidel během tisku) založenou na vlastním akrylovém lepidle. Použití čistého měděného prášku jako tiskového materiálu položilo základ pro výzkum aditivní výroby kompozitů diamant/měď.

Obr. 2 Výkonnostní charakteristika rychle tuhnoucího akrylového lepidla

(a) TGA a DSC křivky pojiva, (b) DSC křivka pojiva, (c) FTIR pojiva bez TBPB zahřátého na různé teploty, (d) FTIR 2 % hm. TBPB pojiva zahřátého na různé teploty

Obrázek 3 ukazuje vztah mezi vzdáleností průniku a dobou tisku inkoustu. U vzorků, které nejsou vytvrzeny in situ (lepidlo není vytvrzeno během procesu tisku), závisí vzdálenost průniku hlavně na množství jednotlivého inkoustového tisku, které se mírně zvyšuje s rostoucím množstvím inkoustového tisku. Naopak u vzorků ztuhlých in situ se penetrační vzdálenost výrazně zvětšila s nárůstem množství inkoustového tisku.

Obr. 3 Vztah mezi permeační vzdáleností, saturací a dobou vstřikování

(a) Vytvrzování bez in-situ, (b) Vytvrzování in-situ

Za podmínek semi-in situ vytvrzování (tradiční proces vytvrzování lepidla infračervenou lampou) se vzdálenost pronikání vztahuje hlavně k celkovému množství jednovrstvého lepidla a vzdálenost pronikání se zvyšuje se zvyšujícím se množstvím nastříkaného lepidla. Protože saturace vztahující se ke každé vrstvě se u vícevrstvého tištěného vzorku překrývá, saturace vícevrstvého tištěného vzorku převyšuje saturaci jednovrstvého tištěného vzorku. Ve srovnání s metodou tisku bez vytvrzování in situ má semi-in-situ vytvrzování se stejnou sytostí nižší vzdálenost průniku, což ukazuje, že semi-in-situ vytvrzování může do určité míry snížit vzdálenost průniku a překonat PSTO. Na základě výše uvedené analýzy byly vytvořeny penetrační modely lepidel při různých procesech.

Obr. 4 Sestavení modelu infiltračního procesu při různých procesech

(a) Vytvrzování bez in-situ, (b) Semi-in-situ vytvrzování, (c) Vytvrzování na místě

Vztah mezi infiltrační vzdáleností a nasycením je znázorněn na obrázku 5. Za podmínek vytvrzování mimo in situ závisí vzdálenost pronikání hlavně na množství jednotlivého nástřiku pojiva a saturace se zvyšuje s počtem nástřiků pojiva; Při specifickém nasycení je penetrační vzdálenost in-situ ztuhlého vzorku tisku nejnižší, což překonává PSTO, kterou přináší tradiční BJ.

Obr. 5 Vztah mezi vzdáleností propustnosti a saturací

Shrnutí a výhled

V této studii výzkumný tým vyvinul methakrylátový adhezivní systém s tepelnou iniciací a rychlým vytvrzením, který prokázal, že podmínky vytvrzování in-situ mohou zlepšit přesnost a sílu tisku embryí. Byly provedeny experimenty s jednovrstvým a vícevrstvým tiskem, aby se určily tiskové charakteristiky systému pojivového prášku za různých podmínek tisku a vytvrzování, což poskytlo základ pro odvození fyzikálních modelů tisku in situ, semi-in-situ a in-situ podmínek. . Kromě toho byl diskutován vztah mezi saturací a penetrační vzdáleností související s různými podmínkami vytvrzování. Tato studie poskytuje referenci pro další vývoj in-situ vytvrzovaných (UV nebo teplem aktivovaných) lepidel a tiskové technologie.

Transformace a aplikace

Vezmeme-li jako příklad kompozity diamant/měď, měď a její slitiny mají vynikající tepelnou vodivost (350 W/m · K) a vynikající ohybovou únosnost a jsou široce používány ve vysoce výkonných materiálech pro řízení teploty. Diamant je materiál s nejvyšší tepelnou vodivostí v přírodě a jeho tepelná vodivost může dosáhnout 2000 W/m · K. Proto má integrovaný materiál struktura/tepelná vodivost s kompozitem diamant/měď jako systém vynikající mechanické vlastnosti, ale také má vysoká tepelná vodivost více než 700 W/m · K a méně než 10 × Nízký koeficient tepelné roztažnosti 10-6 je nejpotenciálnějším materiálem pro řešení problému rozptylu tepla elektronických zařízení. V budoucnu se použití kompozitů diamant/měď neomezuje pouze na základní tvary, jako je kulatý šestiúhelník, a poptávka po heterogenních kompozitech slitin diamant/kov roste. Diamantový materiál je však velmi tvrdý a náklady na zpracování tvoří více než 65 procent celkových nákladů na materiál, což činí tradiční lisování za tepla slinování a další metody neúčinnými. Tato technologie poskytuje dobrý nápad pro vysoce přesnou aditivní výrobu diamant/měď a dalších kompozitů s diamantovou/kovovou matricí a vnáší novou vitalitu do výzkumu aditivní výroby materiálů diamant/měď. Má velký aplikační potenciál v radarech, nových energetických vozidlech, energetických zařízeních, 3C elektronice a dalších strukturálních tepelných disipacích integrovaných v polích s vysokým tepelným tokem.

Laboratoř nezávisle vyvinula řadu kompozitů s diamantovou/kovovou matricí, mimo jiné včetně diamantu/mědi, diamantu/titanu, diamantu/wolframu, diamantu/niklu atd., a vyvinula odpovídající procesy přípravy dávek. Na základě mikrostruktury materiálů v mikroměřítku je sestaven model přenosu tepla. V kombinaci se simulací procesu růstu karbidových krystalů a výpočtem modelu krystalové struktury tepelného odporu rozhraní je dokončen vývoj a optimalizace principu výpočtu přenosu tepla na rozhraní kompozitu. Originální řiditelný proces diamantové metalizace poskytuje záruku pro víceúrovňovou optimalizaci tepelné vodivosti kompozitů diamant/kovová matrice.

Obr. 6 Produkty z diamantového/měděného prášku nezávisle vyvinuté laboratoří

Na základě výzkumu a vývoje práškových materiálů diamant/kov s matricí a optimalizace procesu aditivní výroby vyvinula laboratoř diamant/kov kompozitní materiál reprezentovaný hliníkem a mědí, který je vhodný pro lisování heterogenních dílů. Tepelná vodivost je až 700 W/m · K a koeficient tepelné roztažnosti je menší nebo roven 10 × 10-6, s pevností 220 MPa, má obrovský aplikační potenciál v oblasti tepelného managementu. Prostřednictvím vícestupňové optimalizace struktury tepelné vodivosti se zlepšuje účinnost tepelného managementu diamantových/měděných kompozitů, je překonáno úzké hrdlo nízké celkové tepelné vodivosti kompozitů a je realizován návrh a výroba složitých a účinných tepelně řídících struktur, což výrazně rozšiřuje možnosti použití kompozitů s diamantovou/kovovou matricí a zlepšuje jejich inženýrský potenciál.

Obr. 7 Produkty aditivní výroby

(a) výrobky řady diamantového tisku na měď, (b) výrobky řady diamantového/hliníkového tisku, (c) sériové výrobky pro tisk na keramický materiál