211service.com
Värmebeständiga keramiska delar är nu 3D-utskrivbara
Löftet om additiv tillverkning eller 3-D-utskrift – snabbare och billigare tillverkning av mer anpassningsbara delar – begränsas av paletten av utskrivbara material, som hittills huvudsakligen har inkluderat polymerer och vissa metaller. Nu kan vi lägga till keramik, en viktig klass av material vars höga hållfasthet och motståndskraft mot värme, kemisk nedbrytning och friktion gör dem attraktiva för användning inom militären och flygindustrin för allt från exteriöra flygplansdelar till små komponenter för raketer.
Ett keramiskt pumphjul i millimeterskala, en roterande mekanisk komponent som används för att överföra rörelse hos en vätska i pumpar och turbiner.
Tack vare ett materialvetenskapsknep demonstrerade av forskare på HRL Laboratorier , kan ingenjörer nu använda additiv tillverkning för att snabbt bygga skräddarsydda, intrikata keramiska delar som drar fördel av alla dessa attraktiva egenskaper på en gång.
Det är utmanande att göra keramik till hållbara delar, särskilt sådana med komplexa former. Materialen är inte kompatibla med konventionella tillverkningstekniker som bearbetning och gjutning, och den typiska metoden innebär att man använder värme för att konsolidera pulver och bygga fasta former. Detta tillvägagångssätt, som även kan användas vid additiv tillverkning, är dock inte särskilt tillförlitligt och introducerar vanligtvis brister som kan leda till sprickor och sprickor.
En keramisk korkskruv, drygt 20 mikrometer lång, illustrerar den fina upplösningen som är möjlig via stereolitografi 3-D-utskrift.
Forskarna vid HRL Labs kom runt detta genom att utveckla ett nytt tryckbart harts tillverkat av så kallade prekeramiska polymerer, som kan omvandlas till keramik genom att värma dem vid höga temperaturer. De visade att det nya hartset är kompatibelt med en populär additiv tillverkningsteknik som kallas stereolitografi, där en laserstråle används för att bygga strukturer lager för lager från en flytande polymer. Forskarna visade också att det fungerar med en specialiserad teknik som använder ultraviolett ljus och mönstrade masker för att bygga komplexa 3D-strukturer som galler, 100 till 1 000 gånger så snabbt som konventionell stereolitografi kan. Efter utskrift värmde forskarna delarna för att förvandla dem till keramik och visade deras imponerande mekaniska egenskaper.
Ett krökt keramiskt galler illustrerar förmågan att producera invecklade strukturer i okonventionella former.
Två klasser av användbara keramiska delar – stora, mycket lätta gitterstrukturer som skulle kunna användas i värmebeständiga paneler och andra exteriöra delar för flygplan och rymdfarkoster, och små, komplicerade delar för användning i elektromekaniska system eller i komponenter i jetmotorer och raketer – är nu utskrivbara tack vare det nya tillvägagångssättet, säger HRL Labs seniorforskare Tobias Schaedler, som ledde forskningen.
En 3-D-tryckt framkant, eller den del av ett flygplan eller rymdskeppsvinge som först kommer i kontakt med luften. Ytorna på delen sandwichar en gitterstruktur.
Schaedler säger att gruppen nu har finansiering från DARPA, som också stödde denna forskning, för att använda den nya tekniken för att utveckla ett keramiskt aeroskal, i huvudsak en sköld som skyddar rymdfarkoster eller hypersoniska flygplan från värme, tryck och skräp. Keramiska skum är attraktiva för denna applikation på grund av deras termiska egenskaper, men deras dåliga mekaniska egenskaper gör dem till stor del olämpliga för användning i bärande strukturer, säger Stefanie Tompkins, chef för DARPAs försvarsvetenskapskontor. Keramiska gitterstrukturer skapade av HRL Labs är 10 gånger starkare än kommersiellt tillgängliga skum.