211service.com
Nowa technika druku 3D wytwarza części ceramiczne
Nowy sposób wytwarzania tych wytrzymałych materiałów może być kluczowym krokiem w produkcji lepszych silników lotniczych i trwałych części maszyn. 19 kwietnia 2016
Ceramika to jedne z najtwardszych materiałów na Ziemi. Wytrzymują ekstremalne temperatury, a niektóre są odporne na tarcie, zarysowania i inne naprężenia mechaniczne, które niszczą metal i plastik. Jednak wykonanie z materiałów skomplikowanych kształtów może być trudne.
Inżynier chemik Zak Eckel i lider grupy Tobias Schaedler.
Chemicy z HRL Laboratories w Malibu w Kalifornii mogli obejść ten problem, opracowując ceramikę, którą można wykonać w drukarce 3D. Efekt: ultrawytrzymałe przedmioty, których nie da się wykonać konwencjonalnymi metodami.
Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2016 r.
- Zobacz resztę numeru
- Subskrybuj
Ceramikę stosuje się dziś w klockach hamulcowych, obudowach mikroelektroniki i płytkach osłony termicznej (jak w statkach kosmicznych). Teraz naukowcy z HRL starają się znacznie rozszerzyć aplikacje. Gdyby części do silników lotniczych były wykonane na przykład z ceramiki, silniki mogłyby pracować w wyższej temperaturze, zwiększając ich sprawność.
Ceramika może również zaoferować udoskonalenie części stosowanych w turbinach parowych i innych maszynach, które muszą wytrzymać palące, trudne mechanicznie warunki. Laboratorium jest współwłasnością Boeinga i General Motors, a projekt jest finansowany z DARPA, działu badawczo-rozwojowego Departamentu Obrony USA.
Po lewej: ta zlewka z żywicą zawiera prekursory polimerów, które można przepuszczać przez drukarkę 3D, aby tworzyć obiekty. Po prawej: W drukarce światło ultrafioletowe pada na żywicę, utwardzając ją, tworząc jedną warstwę na raz.
Po lewej: ta zlewka z żywicą zawiera prekursory polimerów, które można przepuszczać przez drukarkę 3D, aby tworzyć obiekty. Po prawej: W drukarce światło ultrafioletowe pada na żywicę, utwardzając ją, tworząc jedną warstwę na raz.
Po około 90 minutach drukowania ta mała część, wirnik, wychodzi z kąpieli żywicy. Wirniki są stosowane w turbinach parowych i innych maszynach, które muszą być odporne na zużycie i wysokie temperatury.
Po lewej: zadrukowana część jest obrabiana w piecu, aby wypalić polimer i zamienić go w ceramikę. W tym procesie część kurczy się o około 30 procent. Po prawej: Schaedler przygotowuje się do wyciągnięcia części ceramicznej z pieca o temperaturze 1000 °C.
Po lewej: zadrukowana część jest obrabiana w piecu, aby wypalić polimer i zamienić go w ceramikę. W tym procesie część kurczy się o około 30 procent. Po prawej: Schaedler przygotowuje się do wyciągnięcia części ceramicznej z pieca o temperaturze 1000 °C.
Aby przetestować tolerancję cieplną materiału, naukowcy HRL umieścili go pod pochodnią o temperaturze około 1200 °C.
Sztuczka HRL polega na stworzeniu specjalnych żywic, które można wykorzystać jako atrament w drukarce. Są wykonane z polimerów, ale zawierają w swojej strukturze molekularnej krzem i inne pierwiastki występujące w ceramice. Żywice te są ładowane do drukarek 3D w celu wykonania części o barokowych kształtach, takich jak korkociągi i arkusze skomplikowanych siatek. Następnie te części trafiają do pieca, w którym wypalają się organiczne składniki polimerowe, pozostawiając materiał ceramiczny.
Większe kawałki drukowanej siatki ceramicznej i arkuszy kratowych, takich jak te, można wykorzystać do ochrony statku kosmicznego przed ekstremalnymi temperaturami.
Ceramika drukowana w 3D może być pod pewnymi względami lepsza niż ich konwencjonalne odpowiedniki. Jedna siatka wykonana w HRL ma 10-krotnie większą wytrzymałość na ściskanie niż ceramika dostępna na rynku. Te drukowane części mogą również tolerować wysokie temperatury do 1700 °C, czyli temperaturę, w której inne materiały ceramiczne zaczynają się rozkładać.
Ale grupa wciąż ma nadzieję, że jej drukowana ceramika będzie silniejsza. Jednym z podejść jest zaprojektowanie nowych rodzajów polimerów przedceramicznych, w których osadzone są włókna zapobiegające rozprzestrzenianiu się pęknięć. Ceramika jest krucha i może załamać się katastrofalnie z jednym pęknięciem. Nie zrobiłoby tego, gdyby maleńka defekt spowodowała rozbicie sprytnej nowej części.