La Harbin University of Technology ha fatto una nuova svolta nella tecnologia di stampa 3D diamantata

Estratto principale: di recente, il professor Zhu Jiaqi dell'Università di tecnologia di Harbin ha proposto un metodo per regolare l'accuratezza della saturazione dell'embrione nella produzione di additivo spray legante basato sul rapido processo di polimerizzazione in situ.

Fonte: Scienza e ingegneria dei materiali

Di recente, il professor Zhu Jiaqi dell'Università di tecnologia di Harbin ha proposto un metodo per regolare la saturazione dell'embrione nel processo di produzione additiva con spray legante basato sul rapido processo di polimerizzazione in situ. Secondo questo metodo, è possibile realizzare la formazione di embrioni ad alta precisione/saturazione e rafforzare al massimo la relazione interna tra la forza del legante stesso e la forza dell'embrione, il che è di grande importanza per la ricerca di base su la qualità della formazione nel campo della produzione additiva di adesivi.

I risultati rilevanti sono stati pubblicati su Additive Manufacturing, una delle principali riviste internazionali di produzione additiva, con il titolo di Superare la penetrazione – salvare il compromesso nella produzione additiva a getto di legante tramite il taglio rapido in situ.

Link cartaceo: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103157

Sfondo di ricerca

I compositi a matrice di diamante/metallo sono considerati la prossima generazione di materiali per la gestione termica grazie alla loro elevata conduttività termica e bassa espansione termica e hanno grandi prospettive applicative. Tuttavia, a causa dell'elevata durezza del diamante, al momento non esiste un buon metodo di post-trattamento come la lucidatura e la lucidatura, quindi il processo di formazione quasi netta dei compositi a matrice di diamante/metallo è al centro della ricerca attuale. Tra questi, la tecnologia di stampa 3D dei compositi a matrice di diamante/metallo ha attirato un'ampia attenzione.

Binder Jetting (BJ) è una tecnologia di stampa 3D applicabile a vari materiali. Durante la lavorazione, il legante viene depositato direzionalmente sul letto di polvere per produrre embrioni con una complessa struttura tridimensionale. L'interazione tra legante e polvere è influenzata dalle proprietà fisiche del relativo sistema solido-liquido e dalla struttura dei pori del letto di polvere, il che rende difficile descrivere accuratamente l'intero processo di stampa con un semplice modello fisico. A causa del PSTO, c'è un'inevitabile contraddizione tra l'accuratezza delle dimensioni e la forza degli embrioni prodotti da BJ. La forza del corpo dell'embrione aumenta con l'aumento della saturazione effettiva, ma l'aumento della distanza di penetrazione ha effetti negativi sulla precisione della sua dimensione. Per superare la PSTO, i ricercatori si concentrano spesso sull'ottimizzazione dei parametri di lavorazione (come la dimensione delle particelle di polvere, lo spessore dello strato o le condizioni di essiccazione). Sebbene i ricercatori abbiano compiuto grandi sforzi in questo settore, il problema della PSTO non è stato risolto bene.

Fig. 1 Diagramma schematico del principio di iniezione del legante

contenuti di ricerca

In questo studio, al fine di superare la PSTO, il team di ricerca ha sviluppato una tecnologia di produzione additiva spray adesivo a polimerizzazione rapida in situ (polimerizzazione rapida degli adesivi durante la stampa) basata sull'adesivo acrilico auto-sviluppato. L'uso della polvere di rame puro come materiale di stampa ha gettato le basi per la ricerca sulla produzione additiva di compositi diamante/rame.

Fig. 2 Caratterizzazione delle prestazioni dell'adesivo acrilico a polimerizzazione rapida

(a) curve TGA e DSC del legante, (b) curva DSC del legante, (c) FTIR del legante senza TBPB riscaldato a diverse temperature, (d) FTIR del 2% in peso di legante TBPB riscaldato a diverse temperature

La Figura 3 mostra la relazione tra la distanza di penetrazione e i tempi del getto d'inchiostro. Nei campioni che non vengono polimerizzati in situ (l'adesivo non viene polimerizzato durante il processo di stampa), la distanza di penetrazione dipende principalmente dalla quantità di singolo getto d'inchiostro, che aumenta leggermente all'aumentare della quantità di getto d'inchiostro. Al contrario, nei campioni solidificati in situ, la distanza di penetrazione aumenta significativamente con l'aumentare della quantità di getto d'inchiostro.

Fig. 3 Relazione tra distanza di permeazione, saturazione e tempi di iniezione

(a) indurimento non in situ, (b) indurimento in situ

Nella condizione di polimerizzazione semi in situ (il tradizionale processo di polimerizzazione dell'adesivo con lampada a infrarossi), la distanza di penetrazione è principalmente correlata alla quantità totale di adesivo a strato singolo e la distanza di penetrazione aumenta con l'aumento della quantità di adesivo spruzzato. Poiché la saturazione relativa a ciascuno strato è sovrapposta nel campione stampato multistrato, la saturazione del campione stampato multistrato supera quella del campione stampato a strato singolo. Rispetto al metodo di stampa con polimerizzazione non in situ, la polimerizzazione semi in situ con la stessa saturazione ha una distanza di penetrazione inferiore, il che dimostra che la polimerizzazione semi in situ può ridurre la distanza di penetrazione in una certa misura e superare la PSTO. Sulla base dell'analisi di cui sopra, sono stati stabiliti i modelli di penetrazione degli adesivi in ​​diversi processi.

Fig. 4 Istituzione del modello del processo di infiltrazione in diversi processi

(a) Indurimento non in situ, (b) Indurimento semi in situ, (c) Indurimento in situ

La relazione tra distanza di infiltrazione e saturazione è mostrata in Figura 5. Nella condizione di polimerizzazione non in situ, la distanza di penetrazione dipende principalmente dalla quantità di iniezione di legante singolo e la saturazione aumenta con il numero di iniezioni di legante; A una saturazione specifica, la distanza di penetrazione del campione di stampa solidificato in situ è ​​la più bassa, superando il PSTO portato dal tradizionale BJ.

Fig. 5 Relazione tra distanza di permeabilità e saturazione

Riassunto e prospettive

In questo studio, il team di ricerca ha sviluppato un sistema adesivo in metacrilato con avvio termico e polimerizzazione rapida, che ha dimostrato che le condizioni di polimerizzazione in situ possono migliorare l'accuratezza e la forza degli embrioni di stampa. Sono stati effettuati esperimenti di stampa a strato singolo e multistrato per determinare le caratteristiche di stampa del sistema di polvere legante in diverse condizioni di stampa e polimerizzazione, fornendo una base per derivare i modelli fisici di stampa in situ, condizioni semi in situ e in situ . Inoltre, è stata discussa la relazione tra saturazione e distanza di penetrazione in relazione alle diverse condizioni di polimerizzazione. Questo studio fornisce un riferimento per l'ulteriore sviluppo degli adesivi con polimerizzazione in situ (UV o attivati ​​al calore) e della tecnologia di stampa.

Trasformazione e applicazione

Prendendo come esempio i compositi diamante/rame, il rame e le sue leghe hanno un'eccellente conduttività termica (350 W/m · K) e un'eccellente capacità portante alla flessione e sono ampiamente utilizzati nei materiali di gestione termica ad alte prestazioni. Il diamante è il materiale con la più alta conducibilità termica in natura e la sua conducibilità termica può raggiungere 2000 W/m · K. Pertanto, il materiale integrato struttura/conducibilità termica con il composito diamante/rame poiché il sistema ha eccellenti proprietà meccaniche, ma ha anche un elevata conducibilità termica superiore a 700 W/m · K e inferiore a 10 × Il basso coefficiente di espansione termica di 10-6 è il materiale più potenziale per risolvere il problema della dissipazione del calore dei dispositivi elettronici. In futuro, l'uso di compositi diamante/rame non si limita alle forme di base come l'esagono tondo e la domanda di compositi eterogenei diamante/leghe metalliche è in aumento. Tuttavia, il materiale diamantato è molto duro e il costo di lavorazione rappresenta oltre il 65% del costo totale del materiale, il che rende inefficaci la tradizionale sinterizzazione a caldo e altri metodi. Questa tecnologia fornisce una buona idea per la produzione additiva ad alta precisione di diamante/rame e altri compositi a matrice di diamante/metallo e inietta nuova vitalità nella ricerca sulla produzione additiva di materiali diamante/rame. Ha un grande potenziale applicativo in radar, veicoli a nuova energia, dispositivi di alimentazione, elettronica 3C e altri campi di flusso di calore integrati con dissipazione del calore strutturale.

Il laboratorio ha sviluppato in modo indipendente una serie di compositi diamante/matrice metallica, inclusi, a titolo esemplificativo ma non esaustivo, diamante/rame, diamante/titanio, diamante/tungsteno, diamante/nichel, ecc., e ha sviluppato i corrispondenti processi di preparazione in batch. Sulla base della microstruttura dei materiali su microscala, viene stabilito un modello di trasferimento del calore. In combinazione con la simulazione del processo di crescita dei cristalli di carburo e il calcolo del modello della struttura cristallina della resistenza termica dell'interfaccia, sono stati completati lo sviluppo e l'ottimizzazione del principio di calcolo del trasferimento di calore dell'interfaccia composita. L'originale processo di metallizzazione del diamante controllabile fornisce una garanzia per l'ottimizzazione multiscala della conducibilità termica dei compositi a matrice di diamante/metallo.

Fig. 6 Prodotti in polvere di diamante/rame sviluppati indipendentemente dal laboratorio

Basandosi sulla ricerca e sviluppo di materiali in polvere a matrice di diamante/metallo e sull'ottimizzazione del processo di produzione additiva, il laboratorio ha sviluppato un materiale composito diamante/metallo rappresentato da alluminio e rame, adatto allo stampaggio di parti eterogenee. La conducibilità termica è fino a 700 W/m · K e il coefficiente di espansione termica è inferiore o uguale a 10 × 10-6, con una forza di 220 MPa, ha un enorme potenziale applicativo nel campo della gestione termica. Attraverso l'ottimizzazione della struttura della conducibilità termica multiscala, l'efficienza della gestione termica dei compositi diamante/rame viene migliorata, il collo di bottiglia della bassa conduttività termica complessiva dei compositi viene interrotto e vengono realizzate la progettazione e la produzione di strutture di gestione termica complesse ed efficienti, il che notevolmente amplia le prospettive applicative dei compositi a matrice di diamante/metallo e ne migliora il potenziale ingegneristico.

Fig. 7 Prodotti di fabbricazione additiva

(a) prodotti in serie per la stampa in rame diamantato, (b) prodotti in serie per la stampa in diamante/alluminio, (c) prodotti in serie per la stampa in materiale ceramico