ความก้าวหน้าของผงอะลูมินาในวัสดุการพิมพ์ 3 มิติ
การเดินเข้าไปในห้องปฏิบัติการของมหาวิทยาลัยโพลีเทคนิคนอร์ทเวสเทิร์น การบ่มด้วยแสงเครื่องพิมพ์ 3 มิติ เสียงฮัมเบาๆ และลำแสงเลเซอร์ก็เคลื่อนที่อย่างแม่นยำในสารละลายเซรามิก เพียงไม่กี่ชั่วโมงต่อมา แกนเซรามิกที่มีโครงสร้างซับซ้อนราวกับเขาวงกตก็ปรากฏขึ้นอย่างสมบูรณ์ ซึ่งจะถูกนำไปใช้หล่อใบพัดกังหันของเครื่องยนต์เครื่องบิน ศาสตราจารย์ซู ไห่จวิน ผู้รับผิดชอบโครงการนี้ ชี้ไปที่ส่วนประกอบที่บอบบางนี้และกล่าวว่า “สามปีก่อน เราไม่กล้าแม้แต่จะคิดถึงความแม่นยำเช่นนี้ ความก้าวหน้าสำคัญซ่อนอยู่ในผงอะลูมินาที่มองไม่เห็นเด่นชัดนี้”
กาลครั้งหนึ่งเซรามิกอะลูมินาก็เหมือน “นักเรียนที่มีปัญหา” ในสาขาวิชาการพิมพ์ 3 มิติ– มีความแข็งแรงสูง ทนอุณหภูมิสูง เป็นฉนวนที่ดี แต่เมื่อพิมพ์ออกมาแล้วกลับมีปัญหามากมาย ในกระบวนการแบบดั้งเดิม ผงอะลูมินามีการไหลตัวต่ำและมักอุดตันหัวพิมพ์ อัตราการหดตัวระหว่างการเผาอาจสูงถึง 15%-20% และชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วยความพยายามอย่างมากจะเสียรูปและแตกร้าวทันทีที่ถูกเผา โครงสร้างที่ซับซ้อน? ยิ่งเป็นความหรูหราเข้าไปอีก วิศวกรต่างกังวลว่า “สิ่งนี้เปรียบเสมือนศิลปินหัวดื้อที่มีไอเดียสุดบรรเจิด แต่กลับไม่มีฝีมือ”
1. สูตรรัสเซีย: การใส่ “เกราะเซรามิก” ลงไปอะลูมิเนียมเมทริกซ์
จุดเปลี่ยนสำคัญเกิดขึ้นครั้งแรกจากการปฏิวัติการออกแบบวัสดุ ในปี 2020 นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติรัสเซีย (NUST MISIS) ได้ประกาศเปิดตัวเทคโนโลยีล้ำสมัย แทนที่จะผสมผงอะลูมิเนียมออกไซด์เพียงอย่างเดียว พวกเขานำผงอะลูมิเนียมบริสุทธิ์สูงใส่ในหม้ออัดความดัน และใช้กระบวนการไฮโดรเทอร์มอลออกซิเดชันเพื่อ “สร้าง” ชั้นฟิล์มอะลูมิเนียมออกไซด์ที่มีความหนาที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำบนพื้นผิวของอนุภาคอะลูมิเนียมแต่ละอนุภาค เหมือนกับการวางชั้นเกราะระดับนาโนลงบนลูกบอลอะลูมิเนียม ผง “โครงสร้างแกน-เปลือก” นี้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพอันน่าทึ่งในการพิมพ์ 3 มิติด้วยเลเซอร์ (เทคโนโลยี SLM): มีความแข็งสูงกว่าวัสดุอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ถึง 40% และมีเสถียรภาพที่อุณหภูมิสูงที่ดีขึ้นอย่างมาก ตรงตามข้อกำหนดสำหรับวัสดุเกรดอากาศยานโดยตรง
ศาสตราจารย์อเล็กซานเดอร์ โกรมอฟ หัวหน้าโครงการ ได้เปรียบเทียบไว้อย่างชัดเจนว่า “ในอดีต วัสดุคอมโพสิตเปรียบเสมือนสลัด ซึ่งแต่ละชิ้นมีหน้าที่ของตัวเอง ผงของเราเปรียบเสมือนแซนด์วิช อะลูมิเนียมและอะลูมินากัดกินกันเป็นชั้นๆ และแต่ละชั้นก็ขาดกันไม่ได้” การผสมผสานที่แนบแน่นนี้ทำให้วัสดุชนิดนี้สามารถแสดงศักยภาพในชิ้นส่วนเครื่องยนต์เครื่องบินและโครงตัวถังน้ำหนักเบาพิเศษ และยังท้าทายขอบเขตของโลหะผสมไทเทเนียมอีกด้วย
2. ภูมิปัญญาจีน: ความมหัศจรรย์ของการ “วาง” เซรามิก
ปัญหาใหญ่ที่สุดของการพิมพ์เซรามิกอะลูมินาคือการหดตัวจากการเผา ลองนึกภาพว่าคุณนวดดินเหนียวอย่างระมัดระวัง แล้วมันก็หดตัวเหลือขนาดเท่ามันฝรั่งทันทีที่เข้าเตาอบ มันจะยุบตัวลงขนาดไหน? ต้นปี 2024 ผลการวิจัยที่ตีพิมพ์โดยทีมวิจัยของศาสตราจารย์ซู ไห่จวิน แห่งมหาวิทยาลัยโพลีเทคนิคนอร์ทเวสเทิร์น ในวารสาร Journal of Materials Science & Technology ได้สร้างจุดเปลี่ยนให้กับอุตสาหกรรมนี้ พวกเขาได้แกนเซรามิกอะลูมินาที่หดตัวเกือบเป็นศูนย์ โดยมีอัตราการหดตัวเพียง 0.3%
เคล็ดลับคือการเพิ่มผงอะลูมิเนียมให้เป็นอะลูมินาแล้วเล่น “บรรยากาศมหัศจรรย์” อย่างแม่นยำ
เติมผงอลูมิเนียม: ผสมผงอลูมิเนียมละเอียด 15% ลงในสารละลายเซรามิก
ควบคุมบรรยากาศ: ใช้การป้องกันด้วยก๊าซอาร์กอนในช่วงเริ่มต้นการเผาเพื่อป้องกันไม่ให้ผงอลูมิเนียมเกิดการออกซิไดซ์
การสลับอัจฉริยะ: เมื่ออุณหภูมิสูงถึง 1,400°C ให้เปลี่ยนบรรยากาศเป็นอากาศทันที
ออกซิเดชันในแหล่งกำเนิด: ผงอลูมิเนียมละลายเป็นหยดทันทีและออกซิไดซ์เป็นอลูมิเนียมออกไซด์ และการขยายตัวของปริมาตรช่วยชดเชยการหดตัว
3. การปฏิวัติสารยึดเกาะ: ผงอลูมิเนียมกลายเป็น “กาวที่มองไม่เห็น”
ขณะที่ทีมรัสเซียและจีนกำลังทำงานอย่างหนักในการดัดแปลงดินปืน เส้นทางทางเทคนิคอีกเส้นทางหนึ่งก็ค่อยๆ พัฒนาขึ้นอย่างเงียบๆ นั่นคือการใช้ดินปืนอะลูมิเนียมเป็นสารยึดเกาะ เซรามิกแบบดั้งเดิมการพิมพ์ 3 มิติสารยึดเกาะส่วนใหญ่เป็นเรซินอินทรีย์ ซึ่งจะทำให้เกิดโพรงเมื่อถูกเผาในระหว่างการขจัดไขมัน สิทธิบัตรปี 2023 ของทีมในประเทศใช้แนวทางที่แตกต่างออกไป นั่นคือ การนำผงอะลูมิเนียมมาทำเป็นสารยึดเกาะสูตรน้ำ47
ในระหว่างการพิมพ์ หัวฉีดจะพ่น "กาว" ที่มีผงอะลูมิเนียม 50-70% ลงบนชั้นผงอะลูมิเนียมออกไซด์อย่างแม่นยำ เมื่อถึงขั้นตอนการขจัดคราบไขมัน จะมีการดูดสุญญากาศและส่งออกซิเจนผ่านเข้าไป ผงอะลูมิเนียมจะถูกออกซิไดซ์เป็นอะลูมิเนียมออกไซด์ที่อุณหภูมิ 200-800°C คุณสมบัติการขยายตัวของปริมาตรมากกว่า 20% ช่วยให้สามารถอุดรูพรุนได้อย่างมีประสิทธิภาพและลดอัตราการหดตัวให้เหลือน้อยกว่า 5% “เทียบเท่ากับการรื้อนั่งร้านและสร้างกำแพงใหม่ไปพร้อมๆ กัน อุดรูของคุณเอง!” วิศวกรท่านหนึ่งอธิบายไว้ดังนี้
4. ศิลปะแห่งอนุภาค: ชัยชนะของผงทรงกลม
“รูปลักษณ์” ของผงอะลูมินากลายเป็นกุญแจสำคัญสู่ความก้าวหน้าอย่างไม่คาดคิด ซึ่งรูปลักษณ์นี้บ่งบอกถึงรูปร่างของอนุภาค งานวิจัยในวารสาร “Open Ceramics” ในปี พ.ศ. 2567 ได้เปรียบเทียบประสิทธิภาพของผงอะลูมินาทรงกลมและแบบไม่สม่ำเสมอในการพิมพ์แบบฟิวชันพอกพูน (Fused Deposition: CF³)5:
ผงทรงกลม: ไหลเหมือนทรายละเอียด อัตราการบรรจุเกิน 60% และการพิมพ์มีความเรียบเนียนและนุ่มนวล
ผงไม่สม่ำเสมอ: ติดแน่นเหมือนน้ำตาลหยาบ ความหนืดสูงกว่า 40 เท่า และหัวฉีดอุดตันจนน่าสงสัย
ยิ่งไปกว่านั้น ความหนาแน่นของชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วยผงทรงกลมนั้นสูงกว่า 89% หลังจากการเผาอย่างง่ายดาย และพื้นผิวที่เคลือบก็ตรงตามมาตรฐานโดยตรง “ใครยังใช้ผง “ขี้เหร่” อยู่ตอนนี้? ความลื่นไหลคือประสิทธิภาพในการต่อสู้!” ช่างเทคนิคคนหนึ่งยิ้มและสรุป5
อนาคต : ดวงดาวและท้องทะเลอยู่ร่วมกันอย่างเล็กและสวยงาม
การปฏิวัติการพิมพ์ 3 มิติของผงอะลูมินายังคงไม่สิ้นสุด อุตสาหกรรมการทหารได้เป็นผู้นำในการประยุกต์ใช้แกนที่หดตัวเกือบเป็นศูนย์ในการผลิตใบพัดเทอร์โบแฟน วงการชีวการแพทย์ได้ให้ความสำคัญกับความเข้ากันได้ทางชีวภาพของผงอะลูมินาและเริ่มพิมพ์ชิ้นส่วนกระดูกเทียมตามสั่ง อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ได้มุ่งเน้นไปที่วัสดุรองรับการระบายความร้อน เพราะคุณสมบัติการนำความร้อนและคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของอะลูมินานั้นไม่สามารถทดแทนได้