211service.com
Hittebestendige keramische onderdelen zijn nu 3D-afdrukbaar
De belofte van additieve fabricage of 3D-printen - snellere en goedkopere productie van meer aanpasbare onderdelen - wordt beperkt door het palet aan afdrukbare materialen, dat tot nu toe voornamelijk polymeren en sommige metalen omvatte. Nu kunnen we keramiek toevoegen, een belangrijke klasse materialen waarvan de hoge sterkte en weerstand tegen hitte, chemische degradatie en wrijving ze aantrekkelijk maken voor gebruik in het leger en de lucht- en ruimtevaartindustrie voor alles van exterieure vliegtuigonderdelen tot kleine componenten voor raketten.
Een keramische waaier op millimeterschaal, een roterende mechanische component die wordt gebruikt om de beweging van een vloeistof in pompen en turbines over te brengen.
Dankzij een materiaalwetenschappelijke truc gedemonstreerd door onderzoekers van HRL-laboratoria , kunnen ingenieurs nu additive manufacturing gebruiken om snel op maat gemaakte, ingewikkelde keramische onderdelen te bouwen die al deze aantrekkelijke eigenschappen tegelijk benutten.
Het is een uitdaging om van keramiek duurzame onderdelen te maken, vooral die met complexe vormen. De materialen zijn niet compatibel met conventionele productietechnieken zoals machinale bewerking en gieten, en de typische methode houdt in dat warmte wordt gebruikt om poeder te consolideren en vaste vormen te bouwen. Deze benadering, die ook kan worden gebruikt bij additieve fabricage, is echter niet erg betrouwbaar en introduceert vaak gebreken die kunnen leiden tot scheuren en breuken.
Een keramische kurkentrekker, iets meer dan 20 micrometer lang, illustreert de fijne resolutie die mogelijk is via stereolithografie 3D-printen.
De onderzoekers van HRL Labs hebben dit omzeild door een nieuwe bedrukbare hars te ontwikkelen die is gemaakt van zogenaamde prekeramische polymeren, die door verhitting op hoge temperaturen in keramiek kunnen worden omgezet. Ze toonden aan dat de nieuwe hars compatibel is met een populaire additieve fabricagetechniek, stereolithografie genaamd, waarbij een laserstraal wordt gebruikt om structuren laag voor laag op te bouwen uit een vloeibaar polymeer. De onderzoekers toonden ook aan dat het werkt met een gespecialiseerde techniek die ultraviolet licht en patroonmaskers gebruikt om complexe 3D-structuren zoals roosters te bouwen, 100 tot 1000 keer zo snel als conventionele stereolithografie. Na het printen verhitten de onderzoekers de onderdelen om er keramiek van te maken en demonstreerden ze hun indrukwekkende mechanische eigenschappen.
Een gebogen keramisch rooster illustreert het vermogen om ingewikkelde structuren in onconventionele vormen te produceren.
Twee klassen bruikbare keramische onderdelen - grote, zeer lichte roosterstructuren die kunnen worden gebruikt in hittebestendige panelen en andere uitwendige onderdelen voor vliegtuigen en ruimtevaartuigen, en kleine, ingewikkelde onderdelen voor gebruik in elektromechanische systemen of in onderdelen van straalmotoren en raketten - zijn nu afdrukbaar dankzij de nieuwe aanpak, zegt HRL Labs senior wetenschapper Tobias Schaedler, die het onderzoek leidde.
Een 3D-geprinte voorrand, of het deel van een vliegtuig- of ruimtevaartuigvleugel dat als eerste in contact komt met de lucht. De vlakken van het onderdeel sandwichen een roosterstructuur.
Schaedler zegt dat de groep nu financiering heeft van DARPA, dat ook dit onderzoek ondersteunde, om de nieuwe techniek te gebruiken om een keramische aeroshell te ontwikkelen, in wezen een schild dat ruimtevaartuigen of hypersonische vliegtuigen beschermt tegen hitte, druk en puin. Keramische schuimen zijn aantrekkelijk voor deze toepassing vanwege hun thermische eigenschappen, maar hun slechte mechanische eigenschappen maken ze grotendeels ongeschikt voor gebruik in dragende constructies, zegt Stefanie Tompkins, directeur van DARPA's Defense Sciences Office. Keramische roosterstructuren gemaakt door HRL Labs zijn 10 keer sterker dan commercieel verkrijgbare schuimen.