Avanço do pó de alumina em materiais de impressão 3D
Ao entrar no laboratório da Universidade Politécnica do Noroeste, um profissional de fotopolimerizaçãoimpressora 3D está zumbindo levemente, e o feixe de laser se move com precisão na pasta cerâmica. Poucas horas depois, um núcleo cerâmico com uma estrutura complexa, semelhante a um labirinto, é apresentado por completo – ele será usado para fundir as pás de turbinas de motores de aeronaves. O professor Su Haijun, responsável pelo projeto, apontou para o delicado componente e disse: "Há três anos, não ousávamos sequer pensar em tamanha precisão. O principal avanço está escondido neste discreto pó de alumina."
Antigamente, a cerâmica de alumina era como um “aluno problema” no campo daImpressão 3D– alta resistência, alta resistência à temperatura, bom isolamento, mas, uma vez impresso, apresentou muitos problemas. Nos processos tradicionais, o pó de alumina tem baixa fluidez e frequentemente bloqueia a cabeça de impressão; a taxa de contração durante a sinterização pode chegar a 15%-20%, e as peças impressas com grande esforço se deformam e racham assim que são queimadas; estruturas complexas? É um luxo ainda maior. Os engenheiros estão preocupados: "Essa coisa é como um artista teimoso, com ideias malucas, mas sem mãos suficientes."
1. Fórmula russa: Colocar “armadura de cerâmica” noalumíniomatriz
O ponto de virada veio inicialmente da revolução no design de materiais. Em 2020, cientistas de materiais da Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia (NUST MISIS) da Rússia anunciaram uma tecnologia disruptiva. Em vez de simplesmente misturar pó de óxido de alumínio, eles colocaram pó de alumínio de alta pureza em uma autoclave e usaram oxidação hidrotérmica para "cultivar" uma camada de filme de óxido de alumínio com espessura precisamente controlável na superfície de cada partícula de alumínio, assim como colocar uma camada de blindagem de nível nano na esfera de alumínio. Este pó de "estrutura núcleo-casca" apresenta desempenho incrível durante a impressão 3D a laser (tecnologia SLM): a dureza é 40% maior do que a dos materiais de alumínio puro e a estabilidade em altas temperaturas é significativamente melhorada, atendendo diretamente aos requisitos de nível de aviação.
O professor Alexander Gromov, líder do projeto, fez uma analogia vívida: “No passado, os materiais compósitos eram como saladas — cada um cuidava de seu próprio negócio; nossos pós são como sanduíches — o alumínio e a alumina se unem camada por camada, e nenhum pode viver sem o outro.” Essa forte ligação permite que o material mostre sua destreza em peças de motores de aeronaves e estruturas de carrocerias ultraleves, e até começa a desafiar o território das ligas de titânio.
2. Sabedoria chinesa: a magia da “fixação” da cerâmica
O maior problema da impressão em cerâmica de alumina é a contração de sinterização – imagine que você amassou cuidadosamente uma figura de argila e ela encolheu até o tamanho de uma batata assim que entrou no forno. Quanto ela encolheria? No início de 2024, os resultados publicados pela equipe do Professor Su Haijun, da Universidade Politécnica do Noroeste, no periódico Journal of Materials Science & Technology, impulsionaram a indústria: eles obtiveram um núcleo de cerâmica de alumina com contração quase zero, com uma taxa de contração de apenas 0,3%.
O segredo é adicionarpó de alumíniopara alumina e então reproduzir uma precisa “mágica atmosférica”.
Adicionar pó de alumínio: Misture 15% de pó de alumínio fino na pasta cerâmica
Controle da atmosfera: Use proteção com gás argônio no início da sinterização para evitar a oxidação do pó de alumínio
Comutação inteligente: quando a temperatura sobe para 1400 ° C, muda repentinamente a atmosfera para o ar
Oxidação in situ: o pó de alumínio derrete instantaneamente em gotículas e oxida em óxido de alumínio, e a expansão do volume compensa a contração
3. Revolução dos ligantes: pó de alumínio se transforma em “cola invisível”
Enquanto as equipes russa e chinesa trabalham arduamente na modificação do pó, outra via técnica amadureceu discretamente: o uso do pó de alumínio como aglutinante. Cerâmica tradicionalImpressão 3DOs ligantes são, em sua maioria, resinas orgânicas, que deixam cavidades quando queimadas durante o desengorduramento. A patente de uma equipe nacional de 2023 adota uma abordagem diferente: transformar pó de alumínio em um ligante à base de água47.
Durante a impressão, o bico pulveriza com precisão "cola" contendo 50-70% de pó de alumínio sobre a camada de pó de óxido de alumínio. Na etapa de desengorduramento, o vácuo é acionado e o oxigênio é passado, e o pó de alumínio é oxidado em óxido de alumínio a 200-800 °C. A característica de expansão de volume superior a 20% permite o preenchimento ativo dos poros e a redução da taxa de retração para menos de 5%. "É equivalente a desmontar um andaime e construir uma nova parede ao mesmo tempo, tapando seus próprios buracos!", descreveu um engenheiro.
4. A arte das partículas: a vitória do pó esférico
A "aparência" do pó de alumina tornou-se inesperadamente a chave para avanços – essa aparência se refere ao formato da partícula. Um estudo publicado na revista "Open Ceramics" em 2024 comparou o desempenho de pós de alumina esféricos e irregulares na impressão por deposição fundida (CF³)5:
Pó esférico: flui como areia fina, a taxa de enchimento excede 60% e a impressão é lisa e sedosa
Pó irregular: grudado como açúcar grosso, a viscosidade é 40 vezes maior e o bico fica bloqueado para duvidar da vida
Melhor ainda, a densidade das peças impressas com pó esférico ultrapassa facilmente 89% após a sinterização, e o acabamento da superfície atende diretamente ao padrão. "Quem ainda usa pó 'feio'? Fluidez é eficácia de combate!" Um técnico sorriu e concluiu.
Futuro: Estrelas e mares coexistem com pequenos e belos
A revolução da impressão 3D de pó de alumina está longe de terminar. A indústria militar assumiu a liderança na aplicação de núcleos com contração próxima de zero na fabricação de pás de turbofan; a área biomédica se interessou por sua biocompatibilidade e começou a imprimir implantes ósseos personalizados; a indústria eletrônica tem como alvo substratos de dissipação de calor – afinal, a condutividade térmica e a não condutividade elétrica da alumina são insubstituíveis.