دانشگاه فناوری هاربین پیشرفت جدیدی در فناوری چاپ سه بعدی الماس ایجاد کرد

چکیده اصلی: اخیراً پروفسور ژو جیاکی از دانشگاه فناوری هاربین روشی را برای تنظیم دقت اشباع جنین در تولید افزودنی اسپری بایندر بر اساس فرآیند پخت سریع در محل پیشنهاد کرده است.

منبع: علم و مهندسی مواد

اخیراً پروفسور ژو جیاقی از دانشگاه فناوری هاربین روشی را برای تنظیم دقت اشباع جنین در فرآیند تولید افزودنی اسپری بایندر بر اساس فرآیند پخت سریع در محل پیشنهاد کرده است. بر اساس این روش می توان به تشکیل جنین با دقت/اشباع بالا پی برد و رابطه درونی بین استحکام خود بایندر و قدرت جنین را می توان تا حد زیادی تقویت کرد که برای تحقیقات اساسی در مورد اهمیت زیادی دارد. کیفیت تشکیل در زمینه تولید افزودنی چسب.

دستاوردهای مربوطه در Additive Manufacturing، یک مجله بین المللی برتر تولید افزودنی، تحت عنوان غلبه بر نفوذ - صرفه جویی در تجارت در تولید افزودنی جت بایندر از طریق برش سریع در محل منتشر شد.

لینک مقاله: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103157

پیشینه تحقیق

کامپوزیت های زمینه الماس/فلز به دلیل رسانایی حرارتی بالا و انبساط حرارتی کم به عنوان نسل بعدی مواد مدیریت حرارتی در نظر گرفته می شوند و چشم انداز کاربردی بسیار خوبی دارند. با این حال، به دلیل سختی بالای الماس، در حال حاضر هیچ روش پس از تصفیه خوبی مانند پرداخت و پرداخت وجود ندارد، بنابراین فرآیند تشکیل شبکه نزدیک کامپوزیت های الماس/زمینه فلز، تمرکز تحقیقات فعلی است. در میان آنها، فناوری چاپ سه بعدی کامپوزیت های ماتریس الماس/فلز توجه گسترده ای را به خود جلب کرده است.

Binder Jetting (BJ) یک فناوری چاپ سه بعدی است که برای مواد مختلف قابل استفاده است. در طول پردازش، بایندر به صورت جهت روی بستر پودری قرار می گیرد تا جنینی با ساختار سه بعدی پیچیده تولید کند. برهمکنش بین بایندر و پودر تحت تاثیر خواص فیزیکی سیستم جامد-مایع مربوطه و ساختار منفذی بستر پودری است که توصیف دقیق کل فرآیند چاپ را با یک مدل فیزیکی ساده دشوار می‌کند. با توجه به PSTO، یک تناقض اجتناب ناپذیر بین دقت اندازه و قدرت جنین های تولید شده توسط BJ وجود دارد. استحکام بدن جنین با افزایش اشباع موثر افزایش می‌یابد، اما افزایش فاصله نفوذ تأثیرات نامطلوبی بر دقت اندازه آن دارد. به منظور غلبه بر PSTO، محققان اغلب بر روی بهینه سازی پارامترهای پردازش (مانند اندازه ذرات پودر، ضخامت لایه یا شرایط خشک کردن) تمرکز می کنند. اگرچه محققان در این زمینه تلاش زیادی کرده اند، اما مشکل PSTO به خوبی حل نشده است.

شکل 1 نمودار شماتیک اصل تزریق بایندر

محتویات تحقیق

در این مطالعه، به منظور غلبه بر PSTO، تیم تحقیقاتی فناوری تولید افزودنی اسپری چسب را بر اساس چسب اکریلیک خود توسعه‌یافته، پخت سریع در محل (فرآوری سریع چسب‌ها در حین چاپ) توسعه دادند. استفاده از پودر مس خالص به‌عنوان ماده چاپی، پایه‌ای برای تحقیق در مورد تولید افزودنی کامپوزیت‌های الماس/مس ایجاد کرده است.

شکل 2 مشخصات عملکرد چسب اکریلیک با پخت سریع

(الف) منحنی‌های TGA و DSC بایندر، (ب) منحنی DSC بایندر، (ج) FTIR بایندر بدون TBPB که در دماهای مختلف گرم شده است، (د) FTIR 2 درصد وزنی بایندر TBPB که در دماهای مختلف گرم شده است.

شکل 3 رابطه بین فاصله نفوذ و زمان های جوهر افشان را نشان می دهد. در نمونه‌هایی که در محل پخت نمی‌شوند (چسب در طول فرآیند چاپ پخت نمی‌شود)، فاصله نفوذ عمدتاً به مقدار تک جوهرافشان بستگی دارد که با افزایش مقدار جوهر افشان کمی افزایش می‌یابد. در مقابل، در نمونه‌های جامد شده در محل، با افزایش مقدار جوهر افشان، فاصله نفوذ به طور قابل‌توجهی افزایش یافت.

شکل 3 رابطه بین فاصله نفوذ، اشباع و زمان تزریق

الف) پخت غیر درجا، ب) پخت درجا

در شرایط پخت نیمه درجا (فرایند سنتی پخت چسب با لامپ مادون قرمز)، فاصله نفوذ عمدتاً به مقدار کل چسب تک لایه مربوط می شود و فاصله نفوذ با افزایش مقدار چسب پاشیده شده افزایش می یابد. از آنجایی که اشباع مربوط به هر لایه در نمونه چاپ شده چند لایه همپوشانی دارد، اشباع نمونه چاپ شده چند لایه از نمونه چاپ شده تک لایه بیشتر است. در مقایسه با روش چاپ غیر درجا، پخت نیمه درجا با همان اشباع، فاصله نفوذ کمتری دارد، که نشان می دهد پخت نیمه درجا می تواند فاصله نفوذ را تا حدی کاهش دهد و بر PSTO غلبه کند. بر اساس تجزیه و تحلیل فوق، مدل های نفوذ چسب تحت فرآیندهای مختلف ایجاد شد.

شکل 4 ایجاد مدل فرآیند نفوذ تحت فرآیندهای مختلف

(الف) پخت غیر درجا، (ب) پخت نیمه درجا، (ج) پخت درجا

رابطه بین فاصله نفوذ و اشباع در شکل 5 نشان داده شده است. در شرایط پخت غیر درجا، فاصله نفوذ عمدتاً به مقدار تزریق تک چسب بستگی دارد و اشباع با تعداد تزریق بایندر افزایش می یابد. در یک اشباع خاص، فاصله نفوذ نمونه چاپ جامد شده در محل کمترین است، که بر PSTO ارائه شده توسط BJ سنتی غلبه می کند.

شکل 5 رابطه بین فاصله نفوذپذیری و اشباع

خلاصه و چشم انداز

در این مطالعه، تیم تحقیقاتی یک سیستم چسب متاکریلات با شروع حرارتی و پخت سریع ایجاد کردند که ثابت کرد شرایط پخت در محل می‌تواند دقت و قدرت چاپ جنین را بهبود بخشد. آزمایش‌های چاپ تک لایه و چند لایه برای تعیین ویژگی‌های چاپ سیستم پودر صحافی تحت شرایط مختلف چاپ و پخت انجام شد و مبنایی برای استخراج مدل‌های فیزیکی چاپ در شرایط، نیمه درجا و درجا فراهم کرد. . علاوه بر این، رابطه بین اشباع و فاصله نفوذ مربوط به شرایط مختلف پخت مورد بحث قرار گرفت. این مطالعه مرجعی برای توسعه بیشتر چسب‌ها و فناوری چاپ درجا (UV یا گرما فعال شده) است.

تحول و کاربرد

با در نظر گرفتن کامپوزیت های الماس/مس به عنوان مثال، مس و آلیاژهای آن دارای هدایت حرارتی عالی (350W/m · K) و ظرفیت تحمل خمشی عالی هستند و به طور گسترده در مواد مدیریت حرارتی با کارایی بالا استفاده می شوند. الماس ماده ای با بالاترین رسانایی حرارتی در طبیعت است و رسانایی حرارتی آن می تواند به 2000W/m · K برسد. بنابراین، ساختار/رسانایی حرارتی مواد یکپارچه با کامپوزیت الماس/مس به عنوان سیستم دارای خواص مکانیکی عالی است، اما همچنین دارای یک رسانایی حرارتی بالا بیش از 700 W/m · K و کمتر از 10 × ضریب انبساط حرارتی پایین 10-6 بالقوه‌ترین ماده برای حل مشکل اتلاف گرما در دستگاه‌های الکترونیکی است. در آینده، استفاده از کامپوزیت های الماس/مس به شکل های اصلی مانند شش ضلعی گرد محدود نمی شود و تقاضا برای کامپوزیت های ناهمگن الماس/آلیاژ فلز در حال افزایش است. با این حال، مواد الماس بسیار سخت است و هزینه پردازش بیش از 65 درصد از کل هزینه مواد را تشکیل می دهد، که باعث می شود پخت سنتی با پرس گرم و سایر روش ها بی اثر باشد. این فناوری ایده خوبی برای تولید افزودنی با دقت بالا الماس/مس و سایر کامپوزیت های زمینه الماس/فلز فراهم می کند و نشاط جدیدی را به تحقیقات تولید افزودنی مواد الماس/مس تزریق می کند. این پتانسیل کاربرد زیادی در رادار، وسایل نقلیه با انرژی جدید، دستگاه های قدرت، الکترونیک 3C و سایر زمینه های اتلاف گرمای ساختاری یکپارچه با شار حرارت بالا دارد.

این آزمایشگاه به طور مستقل مجموعه‌ای از کامپوزیت‌های زمینه‌ای الماس/فلز، شامل الماس/مس، الماس/تیتانیوم، الماس/تنگستن، الماس/نیکل و غیره را توسعه داد و فرآیندهای آماده‌سازی دسته‌ای مربوطه را توسعه داد. بر اساس ریزساختار مواد در مقیاس میکرو، یک مدل انتقال حرارت ایجاد شده است. همراه با شبیه سازی فرآیند رشد کریستال کاربید و محاسبه مدل ساختار کریستالی مقاومت حرارتی رابط، توسعه و بهینه سازی اصل محاسبه انتقال حرارت رابط مرکب تکمیل شده است. فرآیند اصلی متالیزاسیون الماس قابل کنترل تضمینی برای بهینه‌سازی چند مقیاسی هدایت حرارتی کامپوزیت‌های زمینه الماس/فلز است.

شکل 6 محصولات پودری الماس/مس به طور مستقل توسط آزمایشگاه توسعه یافته اند

بر اساس تحقیق و توسعه مواد پودر ماتریس الماس/فلز و بهینه سازی فرآیند تولید افزودنی، آزمایشگاه یک ماده کامپوزیت الماس/فلز را تولید کرد که توسط آلومینیوم و مس نشان داده شده است، که برای قالب گیری قطعات ناهمگن مناسب است. رسانایی حرارتی تا 700W/m · K و ضریب انبساط حرارتی کمتر یا مساوی 10 × 10-6 با قدرت 220MPa پتانسیل کاربردی زیادی در زمینه مدیریت حرارتی دارد. از طریق بهینه‌سازی ساختار هدایت حرارتی چند مقیاسی، کارایی مدیریت حرارتی کامپوزیت‌های الماس/مس بهبود می‌یابد، گلوگاه هدایت حرارتی پایین کامپوزیت‌ها شکسته می‌شود و طراحی و ساخت سازه‌های مدیریت حرارتی پیچیده و کارآمد تحقق می‌یابد که تا حد زیادی محقق می‌شود. چشم انداز کاربرد کامپوزیت های ماتریس الماس/فلز را گسترش می دهد و پتانسیل مهندسی آنها را بهبود می بخشد.

شکل 7 محصولات تولیدی افزودنی

(الف) محصولات سری چاپ مس الماس، (ب) محصولات سری چاپ الماس/آلومینیوم، (ج) محصولات سری چاپ مواد سرامیکی