Protokoły odlewnicze do produkcji pianek aluminiowych o otwartych komórkach techniką replikacji i wpływ na porowatość
11 grudnia 2014
Replikacja jest jedną z technik przetwarzania używanych do produkcji porowatych gąbek metalowych. W artykule przedstawiono szczegółowo jedną implementację metody wytwarzania porowatego aluminium o otwartych komórkach.
Ogólnym celem tej procedury jest wytworzenie pianki metalowej metodą infiltracji. Osiąga się to poprzez najpierw załadowanie formy drobnym chlorkiem sodu na dole, infiltrację, chlorek sodu w środku i aluminiowy pręt na górze. Następnie umieść pokrywę na komorze.
Drugim krokiem jest przymocowanie formy do systemu zaworów i umieszczenie jej w nagrzanym piecu w celu stopienia aluminium. Następnie na stopione aluminium przykładane jest ciśnienie argonu, wtłaczając go w wolne przestrzenie między infiltracją ziaren chlorku sodu. Ostatnim krokiem jest wyjęcie formy z pieca i pobranie próbki piany.
Następnie przyciąć próbkę na wymiar i usunąć chlorek sodu w łaźni wodnej. Ostatecznie masa i objętość próbki wskażą jej gęstość i poinformują o modyfikacjach protokołu w celu uzyskania pianek o różnych właściwościach. Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które są nowe w tej metodzie, będą miały trudności, ponieważ niewielkie różnice w procedurze mają duży wpływ na wynik.
W pierwszym kroku ustaw piec tak, aby zwiększał temperaturę o 20 stopni Celsjusza na minutę do temperatury końcowej 740 stopni Celsjusza, gdy osiąga temperaturę końcową, rozpocznij przygotowanie preformy, preforma zostanie umieszczona w formie. Forma w tym eksperymencie jest cylindryczna, ma 150 milimetrów wysokości i wewnętrzną średnicę 51 milimetrów. Przed tym eksperymentem odlano wlewek aluminiowy o czystości handlowej do użycia w formie.
Aluminium jest uformowane w cylindryczny pręt o średnicy 50 milimetrów. Pręt jest cięty na cztery równe części wystarczające na cztery eksperymenty. Następnie rozpocznij zbieranie chlorku sodu, który ma być użyty do infiltracji.
Wybierz sito z otworami o wielkości najmniejszej dopuszczalnej średnicy, a drugie z otworami o wielkości największej średnicy porów. Umieść pojemnik do złapania przefiltrowanego chlorku sodu na ławce. Na wierzchu umieść sitko z najmniejszym otworem.
Umieść w tym miejscu sito z większymi otworami nad nim, gotowe, o wysokiej czystości lub chlorku sodu z supermarketu. Wsyp około 500 gramów chlorku sodu do pojemnika i wlej go do ułożonych w stos sit. Następnie mieszaj sita przez minutę Po wymieszaniu wyrzuć zawartość górnego sita.
Wyrzuć również chlorek sodu z dolnego pojemnika. Chlorek sodu znajdujący się na środkowym sicie zostanie użyty do infiltracji po jego zważeniu. W eksperymencie przedstawionym w tym filmie wykorzystano zarówno naciek, chlorek sodu, jak i drobny chlorek sodu.
Użyj techniki sita raz, aby zebrać 150 gramów nacieku, chlorku sodu, a drugi raz, aby zebrać 100 gramów drobnego chlorku sodu. Po zebraniu chlorku sodu przystąp do pracy z formą rozsączającą. Powinien być czysty i wolny od wszelkich zanieczyszczeń z poprzedniego użytkowania.
Użyj aerozolu z azotku boru w sprayu, aby utworzyć cienką powłokę wewnątrz cylindra. Po wyschnięciu cylindra użyj drobnego papieru ściernego, aby usunąć pozostałości azotku boru z końców cylindra z przygotowaną formą. Pracuj z podstawą formy.
Umieść uszczelkę grafitową w rowku podstawy. Następnie umieść dolną część cylindra formy w rowku na górze uszczelki za pomocą młotka, postukaj w górną część cylindra, aby zabezpieczyć go w podstawie przed kontynuowaniem. Teraz weź 100 gramów chlorku sodu winorośli i wlej go do cylindra formy.
Umieść nieprzycięty pręt aluminiowy na górze i lekko uderz w niego młotkiem, aby zwiększyć gęstość upakowania i spłaszczyć powierzchnię chlorku sodu. Usuń nieodcięty pręt i kontynuuj, wlewając chlorek sodu, który ma zostać przeniknięty do formy. Przytrzymaj górną część cylindra na miejscu i podnieś podstawę, aby lekko potrząsnąć zespołem, aż chlorek sodu utworzy płaską powierzchnię u góry.
Następnie umieść przygotowany pręt aluminiowy na wierzchu preformy chlorku sodu. Umieść pokrywę formy z uszczelką na cylindrze formy i zabezpiecz ją. Przetransportuj formę do miejsca, w którym zostanie przymocowana do zasilania gazem i pompy próżniowej.
Zasznuruj formę pod rurką systemu zaworów. Następnie prawidłowo przymocuj rurkę do górnej części pokrywy. Zawory znajdujące się bezpośrednio nad formą kontrolują izolację przepływu, argonu i dostęp do pompy próżniowej.
Początkowo wszystkie zawory powinny być zamknięte. Aby przetestować uszczelnienie formy, otwórz zawory do formy i pompy próżniowej. Pompuj do najniższego możliwego ciśnienia przed zatrzymaniem i sprawdzeniem wskaźnika strat.
Po przetestowaniu uszczelki formy przywróć system do ciśnienia otoczenia za pomocą zaworu nadmiarowego pompy. Kontynuuj, zamykając zawór, prowadzący do pompy próżniowej. Gdy forma jest nadal przymocowana do układu zaworów, przenieś formę do nagrzanego pieca.
Niech tam pozostanie przez godzinę. Po godzinie rozpocznij proces infiltracji Zamykając zawór do formy, wszystkie zawory w układzie powinny być zamknięte. Następnie otwórz zawory butli z gazem Argonne.
Aby zapewnić ciśnienie infiltracji, przygotuj się do otwarcia zaworu formy. Szybko otwórz zawór formy i odczekaj minutę. Wyjmij formę z pieca i umieść ją na powierzchni chłodzącej, tutaj bloku miedzianego.
Przez następne pięć minut monitoruj ciśnienie na regulatorze Argonne i dostosuj Argonne, aby utrzymać ciśnienie infiltracji. Gdy forma ostygnie, podejmij odpowiednie kroki, aby odłączyć ją od układu zaworów. Po wykonaniu tej czynności przetransportuj formę na stół warsztatowy, z którego można pobrać próbkę.
Na stole warsztatowym wyposażonym w imadło zabezpiecz podstawę formy w uchwycie imadła i odkręć osprzęt przytrzymujący pokrywę do górnej części cylindra. Aby zdjąć górną część ze zdjętą górą, użyj młotka, aby lekko postukać w cylinder formy prostopadle do uchwytu imadła, aby poluzować cylinder formy z rowka podstawy. Następnie zwolnij uchwyt imadła, aby zdjąć podstawę formy.
Po wyjęciu odłóż podstawę formy na bok i przygotuj się do umieszczenia cylindra formy w imadle. Zamocuj cylinder formy w uchwycie imadła tak, aby pozostałe aluminium w górnej części próbki było dostępne za pomocą młotka. Postukaj w pozostałe aluminium w górnej części próbki, aby wypchnąć ją z cylindra formy.
Odzyskany materiał będzie miał próbkę pianki, a nadwyżki próbek aluminium o pożądanej wysokości będzie można ciąć za pomocą piły taśmowej. Po pobraniu próbek o pożądanej wysokości do cięcia, chlorek sodu musi zostać usunięty z preformy. Aby to zrobić, przygotuj zlewkę wypełnioną wystarczającą ilością wody, aby przykryć pianę, oraz magnetyczny pręt mieszający na mieszającej płycie grzejnej.
Rozpocznij mieszanie i dodaj pianę. Ustaw temperaturę na 60 stopni Celsjusza i przygotuj się na wymianę wody co 10 minut, aż w piance nie pozostanie chlorek sodu. Protokół był przestrzegany trzykrotnie dla różnych rozmiarów ziaren chlorku sodu.
Rozmiary porów pianki wahają się od jednego milimetra do około 1,2 milimetra, od 1,4 milimetra do 1,7 milimetra i od dwóch milimetrów do około 2,4 milimetra. Średnia porowatość próbek wynosi 70%Każda próbka jest wykonana z 99,95% aluminium i mierzy 51 milimetrów średnicy i około 25 milimetrów wysokości Po opanowaniu tę technikę można wykonać w ciągu dwóch godzin, jeśli zostanie wykonana prawidłowo.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
W niniejszym artykule szczegółowo opisano metodę wytwarzania porowatych gąbek metalicznych, ze szczególnym uwzględnieniem techniki infiltracji stosowanej do tworzenia pianek aluminiowych o otwartych komórkach. Proces ten polega na wypełnieniu formy chlorkiem sodu i aluminium, a następnie stopieniu i przyłożeniu ciśnienia w celu uformowania pianki.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria materiałowa
- Metalurgia
- Techniki wytwarzania
Wstęp
- Porowate gąbki metalowe znajdują różnorodne zastosowania w inżynierii i nauce o materiałach.
- Metoda infiltracji jest powszechną techniką wytwarzania pianek metalicznych.
- Zrozumienie procesu produkcji jest kluczowe dla optymalizacji właściwości pianek.
- Niniejsze badanie koncentruje się na aluminium ze względu na jego korzystne właściwości.
Cel badania
- W celu zademonstrowania konkretnej implementacji metody infiltracji.
- W celu wytworzenia aluminium piankowego o otwartych porach do potencjalnych zastosowań.
- W celu zapewnienia badaczom szczegółowego przeglądu procedury.
Zastosowane metody
- Wypełnianie formy chlorkiem sodu i aluminium.
- Topienie aluminium w wstępnie podgrzanym piecu.
- Przyłożenie ciśnienia gazu argon w celu infiltracji chlorku sodu.
- Wyjęcie formy w celu otrzymania końcowej próbki pianki.
Główne wyniki
- Proces pozwolił na pomyślne otrzymanie porowatej pianki aluminiowej.
- Metoda infiltracji okazała się skuteczna w wypełnianiu pustek aluminiumm.
- Charakterystyka pianki została oceniona po zakończeniu produkcji.
- Metoda ta może zostać powtórzona w dalszych badaniach.
Wnioski
- Metoda infiltracji jest skuteczną techniką wytwarzania pianek metalicznych.
- Dalsze badania mogą zoptymalizować właściwości pianek pod kątem konkretnych zastosowań.
- Niniejsze badanie stanowi podstawę do przyszłych analiz.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Precyzyjna kontrola porowatości i struktury otwartokomórkowej pianki aluminiowej umożliwia opracowanie zaawansowanych materiałów do zastosowań wymagających dużej powierzchni właściwej w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym&D, takich jak filtracja, kataliza i projektowanie elektrod. Opisany protokół odlewania replikacyjnego zapewnia odtwarzalną metodę dostosowywania charakterystyki pianki, co zwiększa pewność w zakresie przewidywania właściwości materiału. Zdolność ta jest kluczowa dla integrowania nowych materiałów w procesach badawczych i przedklinicznych, w których niezbędna jest spójność oraz możliwość regulacji właściwości.
Strategiczne zastosowania w badaniach biofarmaceutycznych&D
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia systematyczne badanie zależności między strukturą a właściwościami w materiałach porowatych istotnych dla bioprocesowania i rozwoju urządzeń.
- Wspiera funkcjonalną walidację wydajności materiałów w zastosowaniach wymagających kontrolowanej porowatości i powierzchni właściwej.
- Ułatwia ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez umożliwienie iteracyjnej regulacji parametrów pianki i bezpośredniego pomiaru wynikających z nich właściwości.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Zapewnia zestandaryzowane, powtarzalne podłoża piankowe do późniejszego przesiewania filtracji, adsorpcji lub aktywności katalitycznej.
- Umożliwia ilościową ocenę zmiennych zależnych, takich jak gęstość i wielkość porów, co wspiera porównywalność testów.
- Wspiera skalowalność i ponowne wykorzystanie platformy, umożliwiając modyfikacje protokołu w celu dostosowania charakterystyki pianki do konkretnych potrzeb przesiewania.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Dostosowuje właściwości materiałów do wymagań translacyjnych niezbędnych do prototypowania urządzeń lub opracowywania modeli in vitro.
- Zapewnia ciągłość od etapu odkrycia po walidację przedkliniczną poprzez umożliwienie odtwarzalnej produkcji partii materiałów do testów.
- Zmniejsza ryzyko związane z wdrażaniem nowych materiałów, dostarczając ilościowych punktów odniesienia dla porowatości i struktury.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy protokół odlewania wpisuje się w kontinuum innowacji materiałowych, łącząc wczesne etapy odkryć, screening oraz badania translacyjne poprzez umożliwienie powtarzalnej produkcji regulowanych pianek o otwartych komórkach.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących wpływu struktury materiału na funkcje biologiczne lub chemiczne.
- Przesiewanie: Zapewnia powtarzalne, ilościowe podłoża piankowe do porównawczej oceny wydajności procesów lub testów.
- Analityka: Dostarcza mierzalne wyniki, takie jak gęstość i wielkość porów, w celu wsparcia wyboru i optymalizacji materiału.
- Badania translacyjne: Umożliwia dostosowanie właściwości materiałów do wymagań przedklinicznych urządzeń lub modeli.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia zestandaryzowany protokół, który można dostosować do wielu R&Projekty wymagające porowatych podłoży metalicznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w zakresie właściwości materiałów i wspiera walidację celów w kontekście integracji z urządzeniami lub testami.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalną i skalowalną produkcję pianek o regulowanych charakterystykach.
- Wartość strategiczna: Umożliwia podejmowanie świadomych decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac nad materiałem (go/no-go) w oparciu o ilościowe dane dotyczące zależności struktura-właściwości.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację nowych materiałów do dalszego rozwoju i zastosowań z uwzględnieniem analizy ryzyka.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w przetwarzaniu materiałów oraz znajomości technik odlewania i infiltracji.
- Wymaga dostępu do pieców sterowanych, systemów doprowadzania gazów oraz narzędzi analitycznych do pomiaru gęstości i porowatości.
- Wymaga rygorystycznej standaryzacji międzyzespołowej w celu zapewnienia powtarzalności charakterystyki pianki.
- Metoda jest dostosowywalna do różnych systemów modelowych poprzez modyfikację składu preformy oraz parametrów procesu.
- Wrażliwość procesu na zmienne proceduralne wymaga ścisłego przestrzegania protokołu i dokładnej dokumentacji.
