Harbin University of Technology는 다이아몬드 3D 프린팅 기술에서 새로운 돌파구를 마련했습니다.

핵심 요약: 최근 Harbin University of Technology의 Zhu Jiaqi 교수는 신속한 현장 경화 공정을 기반으로 바인더 스프레이 첨가제 생산에서 배아의 정확도 포화도를 조정하는 방법을 제안했습니다.

출처: 재료 과학 및 공학

최근 Harbin University of Technology의 Zhu Jiaqi 교수는 신속한 in-situ 경화 공정을 기반으로 바인더 스프레이 적층 제조 공정에서 배아의 정확도 포화도를 조정하는 방법을 제안했습니다. 이 방법에 따르면 고정밀/포화 배아의 형성이 가능하고 바인더 자체의 강도와 배아의 강도 사이의 내부 관계를 최대한 강화할 수 있어 기초 연구에 큰 의의가 있다. 접착 첨가제 제조 분야의 성형 품질.

관련 성과는 적층 제조의 국제 최고 저널인 적층 제조(Additive Manufacturing)에 침투 극복 - 신속한 현장 절단을 통한 바인더 제트 적층 제조의 트레이드 오프 절약이라는 제목으로 게재되었습니다.

종이 링크: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103157

연구 배경

다이아몬드/금속 매트릭스 복합재료는 높은 열전도율과 낮은 열팽창으로 인해 차세대 열 관리 재료로 간주되며 응용 가능성이 높습니다. 그러나 다이아몬드의 높은 경도로 인해 현재로서는 연마 및 연마와 같은 좋은 후처리 방법이 없기 때문에 다이아몬드/금속 기지 복합체의 니어넷 성형 공정이 현재 연구의 초점입니다. 그 중 다이아몬드/금속 기지 복합재료의 3D 프린팅 기술이 큰 주목을 받고 있다.

BJ(Binder Jetting)는 다양한 재료에 적용할 수 있는 3D 프린팅 기술입니다. 가공하는 동안 바인더는 분말 베드에 방향성으로 증착되어 복잡한 3차원 구조의 배아를 생성합니다. 바인더와 분말의 상호작용은 해당 고액계의 물리적 특성과 분말 베드의 기공 구조에 영향을 받으므로 간단한 물리적 모델로 전체 인쇄 공정을 정확하게 설명하기 어렵습니다. PSTO로 인해 BJ가 생산하는 배아의 크기 정확도와 강도 사이에는 불가피한 모순이 있습니다. 배체의 강도는 유효포화도가 증가함에 따라 증가하나 침투거리의 증가는 크기정확도에 악영향을 미친다. PSTO를 극복하기 위해 연구자들은 종종 공정 매개변수(예: 분말 입자 크기, 층 두께 또는 건조 조건)의 최적화에 중점을 둡니다. 이 분야에서 연구자들은 많은 노력을 기울였지만 PSTO의 문제는 잘 해결되지 않았습니다.

그림 1 바인더 주입 원리의 개략도

연구 내용

본 연구에서 연구팀은 PSTO를 극복하기 위해 자체 개발한 아크릴계 점착제를 기반으로 하는 급속 인시튜 경화(인쇄 중 점착제의 급속 경화) 점착제 스프레이 적층 제조 기술을 개발했다. 순수한 구리 분말을 인쇄 재료로 사용하는 것은 다이아몬드/구리 복합 재료의 적층 제조 연구의 토대를 마련했습니다.

그림 2 속경화 아크릴계 접착제의 성능 특성 분석

(a) 바인더의 TGA 및 DSC 곡선, (b) 바인더의 DSC 곡선, (c) 서로 다른 온도에서 가열된 TBPB가 없는 바인더의 FTIR, (d) 서로 다른 온도에서 가열된 2wt% TBPB 바인더의 FTIR

그림 3은 침투 거리와 잉크젯 시간 사이의 관계를 보여줍니다. In situ 경화되지 않은 샘플(인쇄 과정에서 접착제가 경화되지 않음)의 경우 침투 거리는 주로 단일 잉크젯의 양에 따라 달라지며 잉크젯의 양이 증가함에 따라 약간 증가합니다. 반면 in situ 응고된 시료에서는 잉크젯의 양이 증가함에 따라 침투거리가 크게 증가하였다.

그림 3 투과거리, 포화도, 주입시간의 관계

(a) Non-in-situ 양생, (b) in-situ 양생

Semi in situ 경화 조건(적외선 램프로 접착제를 경화하는 전통적인 공정)에서 침투 거리는 주로 단층 접착제의 총량과 관련이 있으며 침투 거리는 스프레이되는 접착제의 양이 증가함에 따라 증가합니다. 다층으로 인쇄된 샘플에서는 각 레이어와 관련된 채도가 중첩되므로 다층으로 인쇄된 샘플의 채도는 단일 레이어로 인쇄된 샘플의 채도를 초과합니다. Non-in-situ 경화 방식에 비해 동일한 채도의 semi-in-situ 경화는 침투 거리가 더 낮으며, 이는 semi-in-situ 경화가 ​​침투 거리를 어느 정도 감소시키고 PSTO를 극복할 수 있음을 보여줍니다. 위의 분석을 바탕으로 다양한 공정에서 접착제의 침투 모델이 설정되었습니다.

그림 4 다양한 프로세스에 따른 침투 프로세스 모델 구축

(a) Non-in-situ 양생, (b) semi-in-situ 양생, (c) in-situ 양생

침투 거리와 포화도 사이의 관계는 그림 5에 나와 있습니다. Non in-situ 경화 조건에서 침투 거리는 주로 단일 바인더 주입량에 따라 달라지며 포화는 바인더 주입 횟수에 따라 증가합니다. 특정 포화 상태에서 현장 응고된 인쇄 샘플의 침투 거리는 가장 낮으며 이는 기존 BJ가 가져온 PSTO를 극복합니다.

그림 5 투수 거리와 포화도의 관계

요약 및 전망

이 연구에서 연구팀은 열 개시 및 급속 경화가 가능한 메타크릴레이트 접착 시스템을 개발했으며, 이는 현장 경화 조건이 인쇄 배아의 정확도와 강도를 향상시킬 수 있음을 입증했습니다. 다양한 인쇄 및 경화 조건에서 바인더 분말 시스템의 인쇄 특성을 결정하기 위해 단층 및 다층 인쇄 실험을 수행하여 현장, 반 현장 및 현장 조건에서 인쇄의 물리적 모델을 유도하는 기초를 제공했습니다. . 또한 다른 양생 조건과 관련된 포화와 침투 거리 사이의 관계에 대해 논의했습니다. 이 연구는 현장 경화(UV 또는 열 활성화) 접착제 및 인쇄 기술의 추가 개발에 대한 참고 자료를 제공합니다.

변환 및 적용

다이아몬드/구리 복합재료를 예로 들면, 구리 및 그 합금은 열전도율(350W/m·K)이 우수하고 굽힘 지지력이 우수하여 고성능 열 관리 재료에 널리 사용됩니다. 다이아몬드는 자연계에서 열전도율이 가장 높은 재료로 열전도율이 2000W/m·K에 달한다. 따라서 다이아몬드/구리 복합재료를 계통으로 한 구조/열전도성 일체형 재료는 우수한 기계적 물성을 가지면서도 동시에 700 W/m · K 이상 10 × 미만의 높은 열전도율 10-6의 낮은 열팽창 계수는 전자 장치의 방열 문제를 해결할 수 있는 가장 잠재적인 재료입니다. 미래에는 다이아몬드/구리 복합재료의 사용이 원형 육각형과 같은 기본 형상에 국한되지 않고 이종 다이아몬드/금속 합금 복합재료에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 그러나 다이아몬드 재료는 매우 단단하고 가공 비용이 재료 총 비용의 65% 이상을 차지하므로 전통적인 열간 프레스 소결 및 기타 방법이 비효율적입니다. 이 기술은 다이아몬드/구리 및 기타 다이아몬드/금속 매트릭스 복합재의 고정밀 적층 제조에 대한 좋은 아이디어를 제공하고 다이아몬드/구리 재료의 적층 제조 연구에 새로운 활력을 불어넣습니다. 레이더, 신에너지 차량, 전력 장치, 3C 전자 장치 및 기타 구조적 방열 통합 고열유속 분야에 큰 응용 가능성이 있습니다.

연구소는 다이아몬드/구리, 다이아몬드/티타늄, 다이아몬드/텅스텐, 다이아몬드/니켈 등을 포함하지만 이에 국한되지 않는 일련의 다이아몬드/금속 매트릭스 복합 재료를 독립적으로 개발했으며 해당 배치 준비 프로세스를 개발했습니다. 마이크로 스케일 재료의 미세 구조를 기반으로 열 전달 모델이 설정됩니다. 탄화물 결정 성장 과정의 시뮬레이션 및 계면 열 저항 결정 구조 모델의 계산과 결합하여 복합 계면 열 전달 계산 원리의 개발 및 최적화가 완료되었습니다. 원래의 제어 가능한 다이아몬드 금속화 공정은 다이아몬드/금속 매트릭스 복합 재료의 열전도도에 대한 다중 스케일 최적화를 보장합니다.

그림 6 연구소에서 독자적으로 개발한 다이아몬드/구리 분말 제품

다이아몬드/금속 기지 분말 재료의 연구 개발과 적층 가공 공정의 최적화를 바탕으로 알루미늄과 구리로 대표되는 다이아몬드/금속 복합 재료를 개발하여 이종 부품의 성형에 적합합니다. 열전도율은 최대 700W/m·K이고 열팽창 계수는 10 × 10-6 이하이고 강도는 220MPa로 열 관리 분야에서 응용 가능성이 크다. 다중 스케일 열전도성 구조 최적화를 통해 다이아몬드/구리 복합재의 열 관리 효율성이 향상되고 복합재의 낮은 전체 열 전도율의 병목 현상이 해소되며 복잡하고 효율적인 열 관리 구조의 설계 및 제조가 실현됩니다. 다이아몬드/금속 매트릭스 복합재의 응용 가능성을 확장하고 엔지니어링 잠재력을 향상시킵니다.

그림 7 적층 가공 제품

(a) 다이아몬드 구리 인쇄 시리즈 제품, (b) 다이아몬드/알루미늄 인쇄 시리즈 제품, (c) 세라믹 재료 인쇄 시리즈 제품