Durchbruch bei Aluminiumoxidpulver bei 3D-Druckmaterialien
Beim Betreten des Labors der Northwestern Polytechnical University, einer lichthärtenden3D-Drucker Die Maschine brummt leise, und der Laserstrahl bewegt sich präzise durch den Keramikschlicker. Nur wenige Stunden später ist ein Keramikkern mit einer komplexen, labyrinthartigen Struktur fertig – er wird zum Gießen der Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken verwendet. Professor Su Haijun, der das Projekt leitet, deutet auf das filigrane Bauteil und sagt: „Vor drei Jahren hätten wir uns eine solche Präzision nicht einmal vorzustellen gewagt. Der entscheidende Durchbruch verbirgt sich in diesem unscheinbaren Aluminiumoxidpulver.“
Es war einmal, dass Aluminiumoxidkeramiken wie ein „Problemschüler“ auf dem Gebiet der3D-Druck– Hohe Festigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit, gute Isolierung, aber nach dem Drucken gab es viele Probleme. Bei herkömmlichen Verfahren hat Aluminiumoxidpulver eine schlechte Fließfähigkeit und verstopft oft den Druckkopf. Die Schrumpfrate beim Sintern kann bis zu 15–20 % betragen, und die mit großem Aufwand gedruckten Teile verformen sich und reißen, sobald sie verbrannt werden. Komplexe Strukturen? Das ist noch mehr Luxus. Ingenieure sind beunruhigt: „Dieses Ding ist wie ein sturer Künstler mit wilden Ideen, aber nicht genug Händen.“
1. Russische Formel: „Keramikpanzerung“ auf dieAluminiumMatrix
Der Wendepunkt kam zunächst durch die Revolution im Materialdesign. Im Jahr 2020 kündigten Materialwissenschaftler der Nationalen Universität für Wissenschaft und Technologie (NUST MISIS) Russlands eine bahnbrechende Technologie an. Anstatt einfach Aluminiumoxidpulver zu mischen, gaben sie hochreines Aluminiumpulver in einen Autoklaven und ließen durch hydrothermale Oxidation auf der Oberfläche jedes Aluminiumpartikels eine Schicht Aluminiumoxidfilm mit präzise steuerbarer Dicke „wachsen“, ganz so, als würde man eine Aluminiumkugel mit einer Nanopanzerung versehen. Dieses Pulver mit „Kern-Schale-Struktur“ zeigt beim Laser-3D-Druck (SLM-Technologie) eine erstaunliche Leistung: Die Härte ist 40 % höher als bei reinem Aluminium, und die Hochtemperaturstabilität ist deutlich verbessert, sodass es die Anforderungen der Luftfahrtindustrie direkt erfüllt.
Professor Alexander Gromov, der Leiter des Projekts, zog eine anschauliche Analogie: „Früher waren Verbundwerkstoffe wie Salate – jeder kümmerte sich um sein eigenes Geschäft; unsere Pulver sind wie Sandwiches – Aluminium und Aluminiumoxid greifen Schicht für Schicht ineinander, und keiner kann ohne den anderen auskommen.“ Diese starke Verbindung ermöglicht es dem Material, seine Fähigkeiten in Flugzeugtriebwerksteilen und ultraleichten Karosserierahmen unter Beweis zu stellen und beginnt sogar, den Titanlegierungen Konkurrenz zu machen.
2. Chinesische Weisheit: Die Magie des „Fassens“ von Keramik
Der größte Schwachpunkt beim Drucken mit Aluminiumoxidkeramik ist die Sinterschrumpfung. Stellen Sie sich vor, Sie kneten eine Tonfigur sorgfältig und sie schrumpft auf die Größe einer Kartoffel, sobald sie in den Ofen kommt. Wie stark würde sie einfallen? Anfang 2024 veröffentlichten die Ergebnisse des Teams von Professor Su Haijun an der Northwestern Polytechnical University im Journal of Materials Science & Technology die Branche: Sie erhielten einen nahezu schrumpffreien Aluminiumoxidkeramikkern mit einer Schrumpfrate von nur 0,3 %.
Das Geheimnis liegt darin,Aluminiumpulverzu Aluminiumoxid und spielen dann eine präzise „Atmosphärenmagie“.
Aluminiumpulver hinzufügen: Mischen Sie 15 % feines Aluminiumpulver in die Keramikaufschlämmung
Kontrollieren Sie die Atmosphäre: Verwenden Sie zu Beginn des Sinterns einen Argongasschutz, um die Oxidation des Aluminiumpulvers zu verhindern
Intelligentes Umschalten: Wenn die Temperatur auf 1400 °C steigt, schalten Sie die Atmosphäre plötzlich auf Luft um
In-situ-Oxidation: Aluminiumpulver schmilzt sofort zu Tröpfchen und oxidiert zu Aluminiumoxid, und die Volumenausdehnung gleicht die Kontraktion aus
3. Bindemittel-Revolution: Aluminiumpulver wird zum „unsichtbaren Klebstoff“
Während die russischen und chinesischen Teams intensiv an der Pulvermodifizierung arbeiten, hat sich ein anderer technischer Ansatz im Stillen entwickelt – die Verwendung von Aluminiumpulver als Bindemittel. Traditionelle Keramik3D-DruckBindemittel sind meist organische Harze, die beim Verbrennen beim Entfetten Hohlräume hinterlassen. Das Patent eines inländischen Teams aus dem Jahr 2023 verfolgt einen anderen Ansatz: Es verarbeitet Aluminiumpulver zu einem Bindemittel auf Wasserbasis47.
Während des Druckvorgangs sprüht die Düse präzise einen „Kleber“ mit 50–70 % Aluminiumpulver auf die Aluminiumoxid-Pulverschicht. In der Entfettungsphase wird Vakuum erzeugt und Sauerstoff durchgeleitet, wodurch das Aluminiumpulver bei 200–800 °C zu Aluminiumoxid oxidiert wird. Die Volumenausdehnung von über 20 % ermöglicht es, die Poren aktiv zu füllen und die Schrumpfungsrate auf unter 5 % zu reduzieren. „Es ist, als würde man ein Gerüst abbauen und gleichzeitig eine neue Wand bauen – man füllt seine eigenen Löcher!“, beschrieb es ein Ingenieur so.
4. Die Kunst der Partikel: Der Sieg des sphärischen Pulvers
Das „Aussehen“ von Aluminiumoxidpulver ist unerwartet zum Schlüssel für Durchbrüche geworden – dieses Aussehen bezieht sich auf die Partikelform. Eine Studie in der Zeitschrift „Open Ceramics“ aus dem Jahr 2024 verglich die Leistung von sphärischen und unregelmäßigen Aluminiumoxidpulvern im Fused Deposition (CF³)-Druck5:
Sphärisches Pulver: fließt wie feiner Sand, die Füllrate übersteigt 60 % und der Druck ist glatt und seidig
Unregelmäßiges Pulver: klebt wie grober Zucker, die Viskosität ist 40-mal höher und die Düse ist verstopft, um an der Lebensdauer zu zweifeln
Noch besser: Die Dichte der mit sphärischem Pulver gedruckten Teile übersteigt nach dem Sintern problemlos 89 %, und die Oberflächenbeschaffenheit entspricht genau dem Standard. „Wer verwendet heute noch ‚hässliches‘ Pulver? Fließfähigkeit ist Kampfkraft!“, schloss ein Techniker lächelnd.
Zukunft: Sterne und Meere koexistieren mit kleinen und schönen
Die Revolution im 3D-Druck mit Aluminiumoxidpulver ist noch lange nicht vorbei. Die Militärindustrie hat die Führung übernommen und verwendet nahezu schrumpffreie Kerne zur Herstellung von Turbofan-Blättern. Die Biomedizin hat sich für die Biokompatibilität von Aluminiumoxid begeistert und mit dem Druck maßgeschneiderter Knochenimplantate begonnen. Die Elektronikindustrie konzentriert sich auf wärmeableitende Substrate – schließlich sind die Wärmeleitfähigkeit und die nichtelektrische Leitfähigkeit von Aluminiumoxid unersetzlich.