Die Technische Universität Harbin erzielte einen neuen Durchbruch in der Diamant-3D-Drucktechnologie

Kernzusammenfassung: Kürzlich schlug Professor Zhu Jiaqi von der Harbin University of Technology eine Methode vor, um die Genauigkeitssättigung des Embryos bei der Herstellung von Bindemittelsprayadditiv basierend auf dem schnellen In-situ-Härtungsprozess anzupassen.

Quelle: Materialwissenschaft und -technik

Kürzlich schlug Professor Zhu Jiaqi von der Harbin University of Technology eine Methode vor, um die Genauigkeitssättigung des Embryos im Prozess der Herstellung von Bindemittelspray-Additiven basierend auf dem schnellen In-situ-Härtungsprozess anzupassen. Gemäß diesem Verfahren kann die Bildung eines hochpräzisen/gesättigten Embryos verwirklicht werden, und die interne Beziehung zwischen der Stärke des Bindemittels selbst und der Stärke des Embryos kann im größtmöglichen Ausmaß verstärkt werden, was für die Grundlagenforschung von großer Bedeutung ist die Formationsqualität im Bereich der adhäsiven additiven Fertigung.

Relevante Errungenschaften wurden in Additive Manufacturing, einem internationalen Top-Journal für additive Fertigung, unter dem Titel „Overcoming the Penetration – Saving Trade Off in Binder Jet Additive Manufacturing Via Rapid In Situ Cutting“ veröffentlicht.

Link zum Papier: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103157

Forschungshintergrund

Diamant/Metallmatrix-Verbundwerkstoffe gelten aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und geringen Wärmeausdehnung als Wärmemanagementmaterialien der nächsten Generation und haben große Anwendungsaussichten. Aufgrund der hohen Härte von Diamant gibt es derzeit jedoch keine gute Nachbehandlungsmethode wie Polieren und Polieren, sodass der Near-Net-Forming-Prozess von Diamant/Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen im Mittelpunkt der aktuellen Forschung steht. Unter ihnen hat die 3D-Drucktechnologie von Diamant-/Metallmatrix-Verbundwerkstoffen große Aufmerksamkeit erregt.

Binder Jetting (BJ) ist eine 3D-Drucktechnologie, die auf verschiedene Materialien anwendbar ist. Während der Verarbeitung wird das Bindemittel gerichtet auf dem Pulverbett abgelagert, um einen Embryo mit komplexer dreidimensionaler Struktur herzustellen. Die Wechselwirkung zwischen Bindemittel und Pulver wird durch die physikalischen Eigenschaften des jeweiligen Fest-Flüssig-Systems und die Porenstruktur des Pulverbetts beeinflusst, was es schwierig macht, den gesamten Druckprozess mit einem einfachen physikalischen Modell genau zu beschreiben. Aufgrund des PSTO besteht ein unvermeidlicher Widerspruch zwischen der Größengenauigkeit und der Stärke der von BJ produzierten Embryonen. Die Stärke des Embryokörpers nimmt mit der Erhöhung der effektiven Sättigung zu, aber die Erhöhung der Penetrationsdistanz hat nachteilige Auswirkungen auf seine Größengenauigkeit. Um PSTO zu überwinden, konzentrieren sich Forscher häufig auf die Optimierung von Verarbeitungsparametern (wie Pulverpartikelgröße, Schichtdicke oder Trocknungsbedingungen). Obwohl Forscher große Anstrengungen auf diesem Gebiet unternommen haben, wurde das Problem von PSTO nicht gut gelöst.

Abb. 1 Schematische Darstellung des Binderinjektionsprinzips

Forschungsinhalte

In dieser Studie entwickelte das Forschungsteam zur Überwindung von PSTO eine schnelle in-situ-Härtung (schnelle Aushärtung von Klebstoffen während des Druckens) Klebstoffsprühadditiv-Fertigungstechnologie auf der Grundlage des selbst entwickelten Acrylklebstoffs. Die Verwendung von reinem Kupferpulver als Druckmaterial hat den Grundstein für die Forschung zur additiven Fertigung von Diamant/Kupfer-Verbundwerkstoffen gelegt.

Abb. 2 Leistungscharakterisierung von schnell aushärtendem Acrylatklebstoff

(a) TGA- und DSC-Kurven des Bindemittels, (b) DSC-Kurve des Bindemittels, (c) FTIR des Bindemittels ohne TBPB, erhitzt auf verschiedene Temperaturen, (d) FTIR von 2 Gew.-% TBPB-Bindemittel, erhitzt auf verschiedene Temperaturen

Abbildung 3 zeigt die Beziehung zwischen Penetrationsabstand und Tintenstrahlzeiten. Bei den nicht in situ ausgehärteten Proben (der Klebstoff wird während des Druckvorgangs nicht ausgehärtet) hängt die Eindringweite hauptsächlich von der Menge des einzelnen Tintenstrahls ab, die mit zunehmender Menge des Tintenstrahls leicht ansteigt. Im Gegensatz dazu nahm bei den in situ verfestigten Proben die Penetrationsdistanz signifikant mit der Erhöhung der Tintenstrahlmenge zu.

Abb. 3 Zusammenhang zwischen Permeationsabstand, Sättigung und Injektionszeiten

(a) Nicht-in-situ-Härtung, (b) In-situ-Härtung

Unter den Semi-in-situ-Härtungsbedingungen (dem traditionellen Verfahren zum Härten des Klebstoffs mit einer Infrarotlampe) hängt die Eindringdistanz hauptsächlich von der Gesamtmenge des einschichtigen Klebstoffs ab, und die Eindringdistanz nimmt mit zunehmender Menge des aufgesprühten Klebstoffs zu. Da die auf jede Schicht bezogene Sättigung in der mehrschichtig bedruckten Probe überlappt, übersteigt die Sättigung der mehrschichtig bedruckten Probe die der einschichtig bedruckten Probe. Verglichen mit dem nicht-in-situ-härtenden Druckverfahren hat die semi-in-situ-Härtung bei gleicher Sättigung eine geringere Penetrationsdistanz, was zeigt, dass die semi-in-situ-Härtung die Penetrationsdistanz bis zu einem gewissen Grad verringern und PSTO überwinden kann. Basierend auf der obigen Analyse wurden die Penetrationsmodelle von Klebstoffen unter verschiedenen Prozessen erstellt.

Abb. 4 Erstellung eines Infiltrationsprozessmodells unter verschiedenen Prozessen

(a) Nicht-in-situ-Härtung, (b) Semi-in-situ-Härtung, (c) In-situ-Härtung

Die Beziehung zwischen Infiltrationsdistanz und Sättigung ist in Abbildung 5 dargestellt. Unter den Bedingungen der Nicht-in-situ-Härtung hängt die Penetrationsdistanz hauptsächlich von der Menge der einzelnen Bindemittelinjektionen ab, und die Sättigung nimmt mit der Anzahl der Bindemittelinjektionen zu; Bei einer bestimmten Sättigung ist die Penetrationsdistanz der in-situ verfestigten Druckprobe am geringsten, was den durch den traditionellen BJ verursachten PSTO überwindet.

Abb. 5 Beziehung zwischen Durchlässigkeitsabstand und Sättigung

Zusammenfassung und Ausblick

In dieser Studie entwickelte das Forschungsteam ein Methacrylat-Klebstoffsystem mit thermischer Initiierung und schneller Aushärtung, das bewies, dass die In-situ-Aushärtungsbedingungen die Genauigkeit und Festigkeit des Druckens von Embryonen verbessern können. Es wurden Einschicht- und Mehrschichtdruckexperimente durchgeführt, um die Druckeigenschaften des Binderpulversystems unter verschiedenen Druck- und Aushärtungsbedingungen zu bestimmen, was eine Grundlage für die Ableitung der physikalischen Modelle des Druckens in situ-, Semi-in-situ- und in-situ-Bedingungen lieferte . Darüber hinaus wurde der Zusammenhang zwischen Sättigung und Eindringweite in Abhängigkeit von unterschiedlichen Aushärtungsbedingungen diskutiert. Diese Studie bietet eine Referenz für die Weiterentwicklung von in-situ-härtenden (UV- oder wärmeaktivierten) Klebstoffen und Drucktechnologien.

Transformation und Anwendung

Am Beispiel von Diamant/Kupfer-Verbundwerkstoffen haben Kupfer und seine Legierungen eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit (350 W/m · K) und eine hervorragende Biegetragfähigkeit und werden häufig in Hochleistungs-Wärmemanagementmaterialien verwendet. Diamant ist das Material mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit in der Natur, und seine Wärmeleitfähigkeit kann 2000 W/m·K erreichen. Daher hat das Struktur/Wärmeleitfähigkeit-integrierte Material mit Diamant/Kupfer-Verbundwerkstoff als System hervorragende mechanische Eigenschaften, aber auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit von mehr als 700 W/m · K und weniger als 10 × Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient von 10-6 ist das Material mit dem größten Potenzial zur Lösung des Wärmeableitungsproblems elektronischer Geräte. Die Verwendung von Diamant/Kupfer-Kompositen ist zukünftig nicht mehr auf die Grundformen wie rundes Sechseck beschränkt, und die Nachfrage nach heterogenen Diamant/Metalllegierungs-Kompositen steigt. Das Diamantmaterial ist jedoch sehr hart, und die Verarbeitungskosten machen mehr als 65 Prozent der Gesamtkosten des Materials aus, was das traditionelle Heißpresssintern und andere Verfahren unwirksam macht. Diese Technologie bietet eine gute Idee für die hochpräzise additive Fertigung von Diamant/Kupfer- und anderen Diamant/Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen und bringt neue Vitalität in die additive Fertigungsforschung von Diamant/Kupfer-Materialien. Es hat ein großes Anwendungspotenzial in Radar, Fahrzeugen mit neuer Energie, Leistungsgeräten, 3C-Elektronik und anderen strukturell integrierten Wärmeableitungsfeldern mit hohem Wärmefluss.

Das Labor entwickelte unabhängig eine Reihe von Diamant/Metall-Matrix-Verbundstoffen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Diamant/Kupfer, Diamant/Titan, Diamant/Wolfram, Diamant/Nickel usw., und entwickelte entsprechende Batch-Herstellungsverfahren. Basierend auf der Mikrostruktur von Materialien im Mikromaßstab wird ein Wärmeübertragungsmodell erstellt. In Kombination mit der Simulation des Karbidkristallwachstumsprozesses und der Berechnung des Kristallstrukturmodells des Wärmewiderstands an der Grenzfläche wird die Entwicklung und Optimierung des Berechnungsprinzips der Wärmeübertragung an der Grenzfläche von Verbundwerkstoffen abgeschlossen. Der ursprünglich steuerbare Diamant-Metallisierungsprozess bietet eine Garantie für die multiskalige Optimierung der Wärmeleitfähigkeit von Diamant/Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen.

Abb. 6 Vom Labor unabhängig entwickelte Diamant-/Kupferpulverprodukte

Basierend auf der Forschung und Entwicklung von Diamant/Metall-Matrix-Pulvermaterialien und der Optimierung des additiven Herstellungsprozesses entwickelte das Labor ein Diamant/Metall-Verbundmaterial, das durch Aluminium und Kupfer repräsentiert wird und sich für das Formen heterogener Teile eignet. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt bis zu 700 W/m · K, und der Wärmeausdehnungskoeffizient ist kleiner oder gleich 10 × 10-6, bei einer Stärke von 220 MPa, hat ein enormes Anwendungspotential im Bereich des Wärmemanagements. Durch die Optimierung der Wärmeleitfähigkeitsstruktur auf mehreren Ebenen wird die Wärmemanagementeffizienz von Diamant/Kupfer-Verbundwerkstoffen verbessert, der Engpass der geringen Gesamtwärmeleitfähigkeit von Verbundwerkstoffen wird überwunden, und das Design und die Herstellung komplexer und effizienter Wärmemanagementstrukturen werden in großem Maße realisiert erweitert die Anwendungsaussichten von Diamant/Metallmatrix-Verbundwerkstoffen und verbessert ihr technisches Potenzial.

Abb. 7 Produkte der additiven Fertigung

(a) Produkte der Diamant-Kupfer-Druckserie, (b) Diamant-/Aluminium-Druckserienprodukte, (c) Keramikmaterial-Druckserienprodukte