L'Université de technologie de Harbin a fait une nouvelle percée dans la technologie d'impression 3D au diamant

Résumé de base : Récemment, le professeur Zhu Jiaqi de l'Université de technologie de Harbin a proposé une méthode pour ajuster la précision de la saturation de l'embryon dans la production d'additif de pulvérisation de liant basée sur le processus de durcissement rapide in situ.

Source : Science et génie des matériaux

Récemment, le professeur Zhu Jiaqi de l'Université de technologie de Harbin a proposé une méthode pour ajuster la précision de la saturation de l'embryon dans le processus de fabrication additive par pulvérisation de liant basée sur le processus de durcissement rapide in situ. Selon cette méthode, la formation d'embryons de haute précision/saturation peut être réalisée, et la relation interne entre la force du liant lui-même et la force de l'embryon peut être renforcée au maximum, ce qui est d'une grande importance pour la recherche fondamentale sur la qualité de la formation dans le domaine de la fabrication additive adhésive.

Les réalisations pertinentes ont été publiées sur Additive Manufacturing, une revue internationale de premier plan sur la fabrication additive, sous le titre Overcoming the pénétration – saving trade off in liant jet additive manufacturing via rapid in situ cutting.

Lien papier : https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103157

Fond de recherche

Les composites diamant/matrice métallique sont considérés comme la prochaine génération de matériaux de gestion thermique en raison de leur conductivité thermique élevée et de leur faible dilatation thermique, et ont de grandes perspectives d'application. Cependant, en raison de la dureté élevée du diamant, il n'existe actuellement aucune bonne méthode de post-traitement telle que le polissage et le polissage, de sorte que le processus de formation quasi nette des composites à matrice diamant / métal est au centre des recherches actuelles. Parmi eux, la technologie d'impression 3D des composites à matrice diamant/métal a suscité une grande attention.

Binder Jetting (BJ) est une technologie d'impression 3D applicable à divers matériaux. Pendant le traitement, le liant est déposé de manière directionnelle sur le lit de poudre pour produire un embryon avec une structure tridimensionnelle complexe. L'interaction entre le liant et la poudre est affectée par les propriétés physiques du système solide-liquide concerné et la structure des pores du lit de poudre, ce qui rend difficile la description précise de l'ensemble du processus d'impression avec un modèle physique simple. En raison du PSTO, il existe une contradiction inévitable entre la précision de la taille et la force des embryons produits par BJ. La force du corps de l'embryon augmente avec l'augmentation de la saturation effective, mais l'augmentation de la distance de pénétration a des effets néfastes sur sa précision de taille. Afin de surmonter le PSTO, les chercheurs se concentrent souvent sur l'optimisation des paramètres de traitement (tels que la taille des particules de poudre, l'épaisseur de la couche ou les conditions de séchage). Bien que les chercheurs aient fait de gros efforts dans ce domaine, le problème des PSTO n'a pas été bien résolu.

Fig. 1 Schéma de principe du principe d'injection de liant

contenu de la recherche

Dans cette étude, afin de surmonter le PSTO, l'équipe de recherche a développé une technologie de fabrication additive par pulvérisation d'adhésif à durcissement rapide in situ (durcissement rapide des adhésifs pendant l'impression) basée sur l'adhésif acrylique auto-développé. L'utilisation de poudre de cuivre pur comme matériau d'impression a jeté les bases de la recherche sur la fabrication additive de composites diamant/cuivre.

Fig. 2 Caractérisation des performances de l'adhésif acrylique à durcissement rapide

(a) Courbes TGA et DSC du liant, (b) Courbe DSC du liant, (c) FTIR du liant sans TBPB chauffé à différentes températures, (d) FTIR du liant TBPB à 2% en poids chauffé à différentes températures

La figure 3 montre la relation entre la distance de pénétration et les temps de jet d'encre. Dans les échantillons qui ne sont pas durcis in situ (l'adhésif n'est pas durci pendant le processus d'impression), la distance de pénétration dépend principalement de la quantité de jet d'encre unique, qui augmente légèrement avec l'augmentation de la quantité de jet d'encre. Au contraire, dans les échantillons solidifiés in situ, la distance de pénétration a augmenté de manière significative avec l'augmentation de la quantité de jet d'encre.

Fig. 3 Relation entre la distance de perméation, la saturation et les temps d'injection

(a) Durcissement non in situ, (b) durcissement in situ

Dans les conditions de durcissement semi-in situ (le processus traditionnel de durcissement de l'adhésif avec une lampe infrarouge), la distance de pénétration est principalement liée à la quantité totale d'adhésif monocouche, et la distance de pénétration augmente avec l'augmentation de la quantité d'adhésif pulvérisé. Etant donné que la saturation liée à chaque couche se chevauche dans l'échantillon imprimé multicouche, la saturation de l'échantillon imprimé multicouche dépasse celle de l'échantillon imprimé monocouche. Par rapport à la méthode d'impression à durcissement non in situ, le durcissement semi in situ avec la même saturation a une distance de pénétration inférieure, ce qui montre que le durcissement semi in situ peut réduire la distance de pénétration dans une certaine mesure et surmonter le PSTO. Sur la base de l'analyse ci-dessus, les modèles de pénétration des adhésifs sous différents procédés ont été établis.

Fig. 4 Établissement du modèle de processus d'infiltration sous différents processus

(a) Durcissement non in situ, (b) durcissement semi in situ, (c) durcissement in situ

La relation entre la distance d'infiltration et la saturation est illustrée à la figure 5. Dans des conditions de durcissement non in situ, la distance de pénétration dépend principalement de la quantité d'injection de liant unique, et la saturation augmente avec le nombre d'injections de liant ; À une saturation spécifique, la distance de pénétration de l'échantillon d'impression solidifié in situ est la plus faible, ce qui surmonte le PSTO apporté par le BJ traditionnel.

Fig. 5 Relation entre la distance de perméabilité et la saturation

Résumé et perspectives

Dans cette étude, l'équipe de recherche a développé un système adhésif méthacrylate avec initiation thermique et durcissement rapide, qui a prouvé que les conditions de durcissement in situ peuvent améliorer la précision et la résistance des embryons d'impression. Des expériences d'impression monocouche et multicouche ont été réalisées pour déterminer les caractéristiques d'impression du système de poudre de liant dans différentes conditions d'impression et de durcissement, fournissant une base pour dériver les modèles physiques d'impression in situ, semi in situ et in situ. . De plus, la relation entre la saturation et la distance de pénétration liée aux différentes conditions de durcissement a été discutée. Cette étude fournit une référence pour le développement ultérieur d'adhésifs et de technologies d'impression à durcissement in situ (UV ou activés par la chaleur).

Transformation et application

Prenant l'exemple des composites diamant/cuivre, le cuivre et ses alliages ont une excellente conductivité thermique (350W/m · K) et une excellente capacité portante en flexion, et sont largement utilisés dans les matériaux de gestion thermique à hautes performances. Le diamant est le matériau avec la conductivité thermique la plus élevée dans la nature, et sa conductivité thermique peut atteindre 2000W/m · K. Par conséquent, le matériau intégré structure/conductivité thermique avec le composite diamant/cuivre car le système a d'excellentes propriétés mécaniques, mais a également un conductivité thermique élevée de plus de 700 W/m · K et inférieure à 10 × Le faible coefficient de dilatation thermique de 10-6 est le matériau le plus potentiel pour résoudre le problème de dissipation thermique des appareils électroniques. À l'avenir, l'utilisation de composites diamant/cuivre ne se limite pas aux formes de base telles que l'hexagone rond, et la demande de composites hétérogènes diamant/alliage métallique augmente. Cependant, le matériau en diamant est très dur et le coût de traitement représente plus de 65 % du coût total du matériau, ce qui rend inefficaces le frittage traditionnel par pressage à chaud et d'autres méthodes. Cette technologie fournit une bonne idée pour la fabrication additive de haute précision de diamant/cuivre et d'autres composites à matrice diamant/métal, et injecte une nouvelle vitalité dans la recherche sur la fabrication additive de matériaux diamant/cuivre. Il a un grand potentiel d'application dans les radars, les véhicules à énergie nouvelle, les appareils électriques, l'électronique 3C et d'autres champs de flux de chaleur intégrés à dissipation thermique structurelle élevée.

Le laboratoire a développé indépendamment une série de composites diamant/matrice métallique, y compris, mais sans s'y limiter, diamant/cuivre, diamant/titane, diamant/tungstène, diamant/nickel, etc., et a développé des procédés de préparation par lots correspondants. Sur la base de la microstructure des matériaux à micro-échelle, un modèle de transfert de chaleur est établi. Combiné avec la simulation du processus de croissance des cristaux de carbure et le calcul du modèle de structure cristalline de la résistance thermique de l'interface, le développement et l'optimisation du principe de calcul du transfert de chaleur de l'interface composite sont terminés. Le procédé original de métallisation pilotable du diamant offre une garantie d'optimisation multi-échelle de la conductivité thermique des composites diamant/matrice métallique.

Fig. 6 Produits en poudre de diamant/cuivre développés indépendamment par le laboratoire

S'appuyant sur la recherche et le développement de matériaux poudres à matrice diamant/métal et l'optimisation des procédés de fabrication additive, le laboratoire a développé un matériau composite diamant/métal représenté par l'aluminium et le cuivre, adapté au moulage de pièces hétérogènes. La conductivité thermique est jusqu'à 700W/m · K, et le coefficient de dilatation thermique est inférieur ou égal à 10 × 10-6, avec une force de 220MPa, a un énorme potentiel d'application dans le domaine de la gestion thermique. Grâce à l'optimisation de la structure de conductivité thermique à plusieurs échelles, l'efficacité de la gestion thermique des composites diamant/cuivre est améliorée, le goulot d'étranglement de la faible conductivité thermique globale des composites est brisé et la conception et la fabrication de structures de gestion thermique complexes et efficaces sont réalisées, ce qui grandement élargit les perspectives d'application des composites à matrice diamant/métal et améliore leur potentiel d'ingénierie.

Fig. 7 Produits de fabrication additive

(a) Produits de la série d'impression en cuivre diamanté, (b) Produits de la série d'impression diamant/aluminium, (c) Produits de la série d'impression en matériau céramique