Революционная микроволновая технология повышает долговечность 3D-печати промышленных компонентов

Эндрю Корселли

3D-печать может изменить способ изготовления деталей для реактивных двигателей и электростанций, но в результате этого процесса остаются микроскопические отверстия, из-за которых материалы разрушаются.

Опубликовано в Международном журнале экстремального производства   , команда профессора Фангён Ню из Даляньского технологического университета, возможно, решила проблему, сделав что-то нетрадиционное:они добавили микроволновую печь.

Чтобы создать компоненты, способные выдержать экстремальные промышленные жары, инженеры полагаются на многофазную оксидную керамику, в частности на смеси оксида алюминия, стабилизированного иттрием циркония и иттрий-алюминиевого граната. Обычные металлы плавятся в таких условиях, но формовать из этой жаропрочной керамики сложные детали невероятно сложно и энергозатратно.

Вот эксклюзивные Технические обзоры интервью с Ню, отредактированное для обеспечения длины и ясности.

Технические обзоры :С какой самой большой технической проблемой вы столкнулись при создании этой гибридной машины?

Фанъён Ню: Несомненно, самой сложной технической задачей, с которой мы столкнулись, было предотвращение утечки микроволнового излучения в высокодинамичном производстве. В отличие от традиционного статического микроволнового резонатора (например, бытовой микроволновой печи), наша гибридная машина использует скоординированную систему из двух роботов для контроля пути осаждения. Высокотемпературный опорный стержень, удерживающий подложку, должен непрерывно двигаться для построения трехмерных компонентов слой за слоем. Это непрерывное, сложное движение создало серьезную проблему с уплотнением. Любой небольшой зазор или несоответствие во время движения робота может привести к серьезной утечке микроволнового излучения, что представляет собой значительную угрозу безопасности как для операторов, так и для находящегося поблизости чувствительного электронного оборудования.

Чтобы преодолеть это узкое место, нам пришлось мыслить нестандартно. Мы разработали специальный гибкий кожух, защищающий от микроволнового излучения, который движется синхронно с опорным стержнем робота. Этот кожух динамически меняет свою форму, приспосабливаясь к движению робота, сохраняя при этом строгую, непрерывную электромагнитную изоляцию. Благодаря этой конструкции нам удалось сохранить утечку микроволнового излучения строго ниже стандарта безопасности (<5 мВт·см-2) на протяжении всего процесса печати. Решение этой проблемы безопасности и герметизации стало важным первым шагом, который сделал возможными все наши последующие открытия материалов.

Технические обзоры :Можете ли вы объяснить простыми словами, как это работает?

Путем интеграции микроволнового поля в лазерное аддитивное производство достигается более плотная и более структурно однородная тройная эвтектическая керамика нано-Al2O3/YAG/ZrO2 за счет улучшенного контроля ванны расплава, устранения пор и регулирования микроструктуры. (Изображение:Сюэсинь Ю, Вэймин Би, Сунлу Инь, Дунцзян Ву, Гуаньи Ма, Данлей Чжао и Фангюн Ню)

Ню: По сути, представьте себе нашу машину как усовершенствованный роботизированный 3D-принтер, работающий внутри промышленной микроволновой печи. Два синхронизированных робота слой за слоем строят керамическую деталь с помощью лазера. Поскольку холодная керамика не поглощает микроволны, мы используем хитрую установку. Мы печатаем компонент на подложке из оксида алюминия (Al2O3), но окружаем эту подложку специальной нагревательной основой из карбида кремния (SiC). Этот SiC действует как «микроволновая губка» — он мгновенно поглощает микроволны и нагревается, как высокотехнологичная плита. Он нагревает подложку Al2O3 и область печати до тех пор, пока они не достигнут температуры 1473 К. В этот критический момент сама керамика начинает напрямую поглощать микроволны. Таким образом, в то время как лазер точно плавит порошок, микроволны действуют как глобальная «внутренняя печь», равномерно нагревая растущую часть изнутри наружу. Эта «внутренняя печь» решает две основные проблемы:захваченный газ (пористость) и неравномерность микроструктуры.

Во-первых, он очищает поры. Микроволны нагревают расплав, поэтому он течет, как теплый мед, позволяя пузырькам легко уплыть. Более того, микроволновая энергия вызывает «плазменный эффект» — она ионизирует газ внутри микроскопических пузырьков, по существу разрушая их изнутри и снижая пористость почти до нуля. Во-вторых, это создает единую структуру. Стандартная 3D-печать оставляет грубые «шрамы» или полосы между сложенными слоями из-за неравномерного охлаждения. Наше непрерывное микроволновое нагревание стирает эти резкие температурные градиенты. Он плавно меняет эти границы, позволяя материалу превратиться в красивый однородный и очень стабильный компонент.

Технические обзоры :Есть ли у вас какие-либо четкие планы на дальнейшие исследования/работу/и т.д.?

Ню: Да, у нас есть очень четкая и стратегическая дорожная карта для наших следующих шагов. В настоящее время в нашей опубликованной работе показано, как мы использовали этот гибридный метод микроволнового лазера для управления микроструктурой и свойствами тройной эвтектической керамики Al2O3/YAG/ZrO₂. Но, если быть совершенно откровенным, это не было основной причиной, по которой мы разработали этот метод. Наша главная цель — и основная задача наших следующих шагов — использовать уникальный эффект объемного нагрева микроволнами для значительного уменьшения температурных градиентов в процессе печати. Поступая таким образом, мы можем эффективно снизить остаточные термические напряжения и существенно устранить проблему растрескивания деталей. Растрескивание является наиболее известным препятствием на пути расширения масштабов лазерного аддитивного производства керамики, выращиваемой из расплава (MGC). Фундаментально решив проблему растрескивания, вызванного напряжением, с помощью микроволнового излучения, мы преодолеем ключевое техническое узкое место, которое в настоящее время ограничивает размер и сложность компонентов.

Кроме того, поскольку тройная эвтектическая керамика AYZ разработана специально для экстремальных условий, таких как аэрокосмические двигатели и передовые энергетические системы, наша последующая работа будет в значительной степени сосредоточена на характеристике ее высокотемпературных характеристик. Мы планируем тщательно протестировать высокотемпературные механические свойства компонентов, изготовленных в рамках нашей стратегии двойной энергии. Наша конечная цель — обеспечить, чтобы эти материалы не только демонстрировали исключительную целостность при комнатной температуре, но также обеспечивали исключительную высокотемпературную стабильность и прочность, необходимые для удовлетворения требований реального промышленного применения.

Технические обзоры :Есть ли что-нибудь еще, чего бы вы хотели добавить, чего я не коснулся?

Ню: Я просто хотел бы подчеркнуть, что интеграция нескольких энергетических полей — например, наша гибридная система микроволнового лазера — представляет собой решающий сдвиг парадигмы в «экстремальном производстве». В течение долгого времени аддитивное производство керамики опиралось на отдельные источники энергии, например, на использование лазера. Однако одноэнергетическим системам присущи физические ограничения, особенно при работе со сверхвысокими и трудно поддающимися обработке материалами. Наши исследования показывают, что разумно комбинируя различные энергетические поля, мы можем обойти эти естественные ограничения. Микроволновая печь обеспечивает объемную тепловую среду и генерацию плазмы, а лазер обеспечивает прецизионное плавление. Мы считаем, что этот мультиэнергетический гибридный подход — это не просто конкретное решение для керамики AYZ, а более широкая платформа. У него есть потенциал совершить революцию в аддитивном производстве различных современных материалов, которые в настоящее время считаются «непригодными для печати». Мы невероятно рады быть в авангарде этих перемен и надеемся на сотрудничество с отраслевыми партнерами, чтобы перенести эту технологию за пределы лабораторий в аэрокосмические и энергетические приложения.

Технические обзоры :Есть ли у вас какой-нибудь совет исследователям, желающим воплотить свои идеи в жизнь?

Ню: Мой совет сводится к трем практическим шагам, которые устранят разрыв между теоретической концепцией и физической реальностью:

• Широкая проверка с помощью моделирования. Прежде чем вкладывать значительные средства в физические установки, максимально используйте вычислительные модели и симуляции, чтобы тщательно проверить теоретическую осуществимость ваших новых идей. Использование комплексных моделей позволяет предвидеть потенциальные физические препятствия и оптимизировать проект на раннем этапе.
• Используйте внешние ресурсы для предварительных экспериментов. Не всегда нужно сразу создавать все с нуля. Полностью используйте возможности поставщиков оборудования или сотрудничающих лабораторий для проведения необходимых предварительных испытаний. Это очень эффективный способ контролировать затраты на внедрение и проверять основные параметры перед полномасштабными обязательствами.
• Примите трудности и действуйте:не стесняйтесь и не бойтесь неизбежных неприятностей. Переход от теории к работающей системе всегда сложен и запутан. Вы должны быть достаточно смелыми, чтобы испачкать руки, пережить неудачи и просто попробовать.

В конечном счете, отличная идея воплощается в жизнь только тогда, когда вы сочетаете строгую теоретическую проверку с бесстрашным практическим воплощением.