Harbin University of Technology heeft een nieuwe doorbraak gemaakt in Diamond 3D-printtechnologie

Kernsamenvatting: Onlangs stelde professor Zhu Jiaqi van de Harbin University of Technology een methode voor om de nauwkeurigheid van de verzadiging van het embryo bij de productie van bindmiddelsprayadditief aan te passen op basis van het snelle in-situ uithardingsproces.

Bron: Materiaalwetenschap en -techniek

Onlangs heeft professor Zhu Jiaqi van de Harbin University of Technology een methode voorgesteld om de nauwkeurigheid van de verzadiging van het embryo in het proces van additieve productie van bindmiddelspray aan te passen op basis van het snelle in-situ uithardingsproces. Volgens deze methode kan de vorming van embryo's met hoge precisie/verzadiging worden gerealiseerd en kan de interne relatie tussen de sterkte van het bindmiddel zelf en de sterkte van het embryo in de grootste mate worden versterkt, wat van groot belang is voor het basisonderzoek naar de formatiekwaliteit op het gebied van zelfklevende additieve fabricage.

Relevante resultaten werden gepubliceerd op Additive Manufacturing, een internationaal toptijdschrift voor additive manufacturing, onder de titel Overcoming thepenetration – besparing op de handel in additieve productie van binderjets via snel in-situ snijden.

Papieren link: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103157

Onderzoeksachtergrond

Diamant/metaal-matrixcomposieten worden beschouwd als de volgende generatie materialen voor thermisch beheer vanwege hun hoge thermische geleidbaarheid en lage thermische uitzetting, en hebben geweldige toepassingsvooruitzichten. Vanwege de hoge hardheid van diamant is er momenteel echter geen goede nabehandelingsmethode zoals polijsten en polijsten, dus het bijna netto-vormingsproces van diamant/metaalmatrixcomposieten is de focus van het huidige onderzoek. Onder hen heeft de 3D-printtechnologie van diamant/metaalmatrixcomposieten veel aandacht getrokken.

Binder Jetting (BJ) is een 3D-printtechnologie die toepasbaar is op verschillende materialen. Tijdens de verwerking wordt het bindmiddel gericht op het poederbed afgezet om een ​​embryo met een complexe driedimensionale structuur te produceren. De interactie tussen bindmiddel en poeder wordt beïnvloed door de fysische eigenschappen van het betreffende vast-vloeistofsysteem en de poriestructuur van het poederbed, waardoor het moeilijk is om het gehele drukproces nauwkeurig te beschrijven met een eenvoudig fysiek model. Vanwege de PSTO is er een onvermijdelijke tegenstrijdigheid tussen de nauwkeurigheid van de grootte en de sterkte van door BJ geproduceerde embryo's. De sterkte van het embryolichaam neemt toe met de toename van de effectieve verzadiging, maar de toename van de penetratieafstand heeft nadelige effecten op de nauwkeurigheid van de grootte. Om PSTO te overwinnen, richten onderzoekers zich vaak op de optimalisatie van verwerkingsparameters (zoals poederdeeltjesgrootte, laagdikte of droogomstandigheden). Hoewel onderzoekers op dit gebied grote inspanningen hebben geleverd, is het probleem van PSTO niet goed opgelost.

Fig. 1 Schematisch diagram van het principe van bindmiddelinjectie

onderzoeksinhoud

In deze studie ontwikkelde het onderzoeksteam, om PSTO te overwinnen, een snelle in-situ uitharding (snelle uitharding van lijmen tijdens het printen) lijmspray-additievenproductietechnologie op basis van de zelfontwikkelde acryllijm. Het gebruik van puur koperpoeder als printmateriaal heeft de basis gelegd voor het onderzoek naar additive manufacturing van diamant/kopercomposieten.

Fig. 2 Prestatiekarakterisering van snel uithardende acryllijm

(a) TGA- en DSC-curven van bindmiddel, (b) DSC-curve van bindmiddel, (c) FTIR van bindmiddel zonder TBPB verwarmd op verschillende temperaturen, (d) FTIR van 2 gew.% TBPB-bindmiddel verwarmd op verschillende temperaturen

Figuur 3 toont de relatie tussen penetratieafstand en inkjettijden. In de monsters die niet in situ uitgehard zijn (de lijm wordt niet uitgehard tijdens het printproces), hangt de penetratieafstand vooral af van de hoeveelheid single inkjet, die licht toeneemt met de toename van de hoeveelheid inkjet. Integendeel, in de in situ gestolde monsters nam de penetratieafstand significant toe met de toename van de hoeveelheid inkjet.

Fig. 3 Relatie tussen permeatieafstand, verzadiging en injectietijden

(a) Niet in-situ uitharding, (b) in-situ uitharding

Onder de semi-in-situ uithardingsconditie (het traditionele proces van het uitharden van de lijm met infraroodlamp), is de penetratieafstand voornamelijk gerelateerd aan de totale hoeveelheid enkellaagse lijm, en de penetratieafstand neemt toe met de toename van de hoeveelheid gespoten lijm. Aangezien de verzadiging die betrekking heeft op elke laag overlapt in het meerlaagse bedrukte monster, overschrijdt de verzadiging van het meerlaags bedrukte monster die van het enkellaags bedrukte monster. Vergeleken met niet-in-situ uithardende drukmethode, heeft semi-in-situ uitharding met dezelfde verzadiging een lagere penetratieafstand, wat aantoont dat semi-in-situ uitharding de penetratieafstand tot op zekere hoogte kan verminderen en PSTO kan overwinnen. Op basis van de bovenstaande analyse werden de penetratiemodellen van lijmen onder verschillende processen vastgesteld.

Fig. 4 Opzetten van infiltratieprocesmodel onder verschillende processen

(a) Niet in-situ uitharding, (b) semi in-situ uitharding, (c) in-situ uitharding

De relatie tussen infiltratieafstand en verzadiging wordt getoond in figuur 5. Onder de niet-in-situ uithardingsconditie hangt de penetratieafstand voornamelijk af van de hoeveelheid enkelvoudige bindmiddelinjectie, en de verzadiging neemt toe met het aantal bindmiddelinjecties; Bij een specifieke verzadiging is de penetratieafstand van het in-situ gestolde afdrukmonster het laagst, wat de PSTO van de traditionele BJ overwint.

Fig. 5 Relatie tussen permeabiliteitsafstand en verzadiging

Samenvatting en vooruitzichten

In deze studie ontwikkelde het onderzoeksteam een ​​methacrylaatlijmsysteem met thermische initiatie en snelle uitharding, wat aantoonde dat de in-situ uithardingsomstandigheden de nauwkeurigheid en sterkte van het afdrukken van embryo's kunnen verbeteren. Er werden enkellaagse en meerlaagse printexperimenten uitgevoerd om de printeigenschappen van het bindmiddelpoedersysteem onder verschillende print- en uithardingsomstandigheden te bepalen, wat een basis vormt voor het afleiden van de fysieke modellen van printen in situ, semi in-situ en in-situ omstandigheden . Daarnaast werd de relatie tussen verzadiging en penetratieafstand met betrekking tot verschillende uithardingsomstandigheden besproken. Deze studie biedt een referentie voor de verdere ontwikkeling van in-situ uithardende (UV of warmte geactiveerde) lijmen en printtechnologie.

Transformatie en toepassing

Als we bijvoorbeeld diamant/kopercomposieten nemen, hebben koper en zijn legeringen een uitstekende thermische geleidbaarheid (350 W/m · K) en een uitstekend buigvermogen, en worden ze veel gebruikt in hoogwaardige materialen voor thermisch beheer. Diamant is het materiaal met de hoogste thermische geleidbaarheid in de natuur, en de thermische geleidbaarheid kan oplopen tot 2000 W/m · K. Daarom heeft het structuur/thermische geleidbaarheid geïntegreerde materiaal met diamant/koper composiet, aangezien het systeem uitstekende mechanische eigenschappen heeft, maar ook een hoge thermische geleidbaarheid van meer dan 700 W/m · K en minder dan 10 × De lage thermische uitzettingscoëfficiënt van 10-6 is het meest potentiële materiaal om het warmtedissipatieprobleem van elektronische apparaten op te lossen. In de toekomst zal het gebruik van diamant/kopercomposieten niet beperkt blijven tot de basisvormen zoals ronde zeshoek, en de vraag naar heterogene diamant/metaallegeringscomposieten neemt toe. Het diamantmateriaal is echter erg hard en de verwerkingskosten zijn goed voor meer dan 65 procent van de totale kosten van het materiaal, waardoor het traditionele heetpersen sinteren en andere methoden niet effectief zijn. Deze technologie biedt een goed idee voor de additieve fabricage met hoge precisie van diamant/koper en andere diamant/metaalmatrixcomposieten, en injecteert nieuwe vitaliteit in het onderzoek naar additieve fabricage van diamant/kopermaterialen. Het heeft een groot toepassingspotentieel in radar, nieuwe energievoertuigen, stroomapparatuur, 3C-elektronica en andere structurele warmtedissipatie-geïntegreerde velden met hoge warmteflux.

Het laboratorium ontwikkelde onafhankelijk een reeks diamant/metaalmatrixcomposieten, waaronder maar niet beperkt tot diamant/koper, diamant/titanium, diamant/wolfraam, diamant/nikkel, enz., en ontwikkelde overeenkomstige batchvoorbereidingsprocessen. Op basis van de microstructuur van materialen op microschaal wordt een model voor warmteoverdracht opgesteld. Gecombineerd met de simulatie van het groeiproces van carbidekristallen en de berekening van het kristalstructuurmodel van de thermische weerstand van de interface, is de ontwikkeling en optimalisatie van het berekeningsprincipe van de warmteoverdracht van de composietinterface voltooid. Het originele controleerbare diamantmetallisatieproces biedt een garantie voor de meerschalige optimalisatie van de thermische geleidbaarheid van diamant/metaalmatrixcomposieten.

Afb. 6 Diamant/koperpoederproducten onafhankelijk ontwikkeld door het laboratorium

Op basis van het onderzoek en de ontwikkeling van diamant/metaal-matrixpoedermaterialen en de optimalisatie van het additieve fabricageproces, heeft het laboratorium een ​​diamant/metaal-composietmateriaal ontwikkeld, vertegenwoordigd door aluminium en koper, dat geschikt is voor het gieten van heterogene onderdelen. De thermische geleidbaarheid is tot 700 W/m · K, en de thermische uitzettingscoëfficiënt is minder dan of gelijk aan 10 × 10-6, met een sterkte van 220 MPa, heeft een enorm toepassingspotentieel op het gebied van thermisch beheer. Door optimalisatie van de structuur van de thermische geleidbaarheid op meerdere schalen wordt de efficiëntie van het thermische beheer van diamant/kopercomposieten verbeterd, wordt het knelpunt van de lage algemene thermische geleidbaarheid van composieten doorbroken en worden het ontwerp en de fabricage van complexe en efficiënte thermische beheerstructuren gerealiseerd, wat sterk breidt de toepassingsvooruitzichten van diamant/metaalmatrixcomposieten uit en verbetert hun engineeringpotentieel.

Afb. 7 Additieve fabricageproducten

(a) Diamantkoper printserieproducten, (b) diamant/aluminium printserieproducten, (c) keramisch materiaal printserieproducten