4 op maat gemaakte materialen gemaakt voor additieve productie

Met de aanhoudende groei van additive manufacturing hebben bedrijven en onderzoekers verschillende subtechnologieën, add-ons en middelen bedacht om prints te optimaliseren. Een ander middel om een ​​geoptimaliseerd doel te bereiken is echter het optimaliseren van het gebruikte materiaal. Dit heeft geleid tot verschillende materialen die zijn gemaakt voor 3D-printen, die allemaal ideale eigenschappen vertonen die worden bereikt door nauwkeurige controle.

Sommige van deze materialen zijn heel specifiek ontworpen voor of met 3D-printen en presenteren de technologie dus met nieuwe, nieuwe kenmerken en functies. Hier zijn enkele van de meest veelbelovende materialen:

Scalmalloy

Fotocredit:Beamler

Aangeprezen als het eerste originele materiaal dat speciaal is ontwikkeld voor 3D-printen, is dit mengsel van scandium (SC), aluminium (AL) en magnesium (M) allemaal samengevoegd tot een enkele legering. Het materiaal is oorspronkelijk ontwikkeld en gepatenteerd door APWorks, een dochteronderneming van de Airbus-groep. Als metaaldrukmateriaal heeft het een aantal unieke eigenschappen, zoals verbeterde sterkte (voornamelijk door de aanwezigheid van Scandium).

In termen van sterkte kan het traditionele aluminium en veel van zijn afgeleide legeringen overtreffen. Het is zelfs sterker dan titanium in combinatie met lichtgewicht en corrosiebestendig. Natuurlijk kan het materiaal duur zijn om te maken omdat het Scandium bevat, een zeldzaam metaal dat ook duur is om uit zijn ertsen te halen. Prijzen of Scandium kunnen schommelen tussen US $ 4000 en US $ 20.000 per kilogram, met de primaire mijnlocaties in China en Rusland.

Scalmalloy is het meest geschikt voor duurzame, duurzame onderdelen. Dit is de reden waarom het populair wordt in de auto-industrie en robotica, vaak als onderdeel van warmtewisselaars. Zoals je zou kunnen vermoeden, speelt Scalmalloy ook een cruciale rol in de industrie van oorsprong:ruimtevaart.

NewGen SLM Materials

Fotocredits:TU Graz        

Dit metaal is afkomstig van de Oostenrijkse TU Graz, waarbij een mengsel van siliciumnitride is toegepast op de ontwikkeling van speciaal roestvrij staal voor metaal-AM. Aangeduid als NewGen SLM-materialen, vertonen ze meer gecontroleerde reacties tijdens het vormingsproces, wat resulteert in een verbeterde oppervlakteafwerking en het minimaliseren van de behoefte aan ondersteuningen. 316L roestvrij staal is een van de meest voorkomende materialen die in meerdere industrieën wereldwijd worden gebruikt en de NewGen-versie biedt verbeterde eigenschappen die specifiek zijn voor het printen met Selective Laser Melting.

De onderzoekers testten verschillende versies van het gemodificeerde roestvrijstalen brouwsel met meerdere mengsels. Bij het testen van andere materialen op mechanische eigenschappen en porositeit kwamen ze tot de conclusie dat vervormingen bij het sinteren te verminderen waren door strikte controle van het siliciumnitride en de boor daarin. Ze publiceerden deze bevindingen in het academische artikel "Improving the Dimensional Stability and Mechanical Properties of AISI 316L + B Sinters by Si3N4 Addition".

Omdat boriden de dichtheid van de sinter verhogen, gaan ze niet goed samen in materialen op ijzerbasis. Hierdoor kunnen zich ongewenste lagen rond het deeltje vormen. Siliciumnitride verzacht deze factor en leidt tot een betere oppervlakteafwerking. De onderzoekers hebben het metaalpoeder aangepast voor niet alleen betere mechanische en eindgebruikseigenschappen, maar ook zodat NewGen SLM-materialen minder ondersteunende structuren nodig hebben. Daarbij kan het gemodificeerde roestvrij staal nog lichter zijn dan conventionele metaalprints.

Momenteel commercialiseren de onderzoekers dit specifieke materiaal nog steeds. Ze verbeteren ook deze onderzoekslijn om te testen op andere dergelijke materialen die op vergelijkbare manieren kunnen profiteren. Hun werk is aangekondigd en ze werken met een spin-off fellowship-programma om een ​​goede start-up op te zetten.

3D-geprinte aluminiumlegering met hoge sterkte

https://www.youtube.com/watch?v=8YwlenA4bdg

Uitgevonden door HRL Laboratories, werd deze specifieke soort aluminium onlangs op de markt gebracht en geregistreerd door de Aluminium Association. Het additief vervaardigde, zeer sterke aluminium markeerde ook de allereerste registratie van een dergelijke legering door de Aluminium Association, met registratienummer 7A77.50 voor het aluminiumpoeder en nummer 7A77.60L voor de gedrukte legering zelf.

Dit materiaal was ook bijzonder omdat het in februari 2019 het nieuwe registratiesysteem voor additieve legeringen van de vereniging markeerde. Dit was een direct gevolg van de verschillende nieuwe materialen die opdoken dankzij de mogelijkheden voor additieve productie. Dit was de eerste legering in zijn soort die bedrukbaar was.

Chemisch gezien is de legering ontwikkeld met behulp van HRL's nanodeeltjesfunctionaliseringstechniek. Dit specifieke materiaal maakt gebruik van op zirkonium gebaseerde nanodeeltjes, maar het echte voordeel van deze manier van materiaalproductie is dat het kan worden toegepast op een breed scala aan andere metalen en legeringen die vaak als onbedrukbaar worden beschouwd. Als gevolg hiervan onderzoekt HRL ook de verschillende andere manieren waarop nieuwe materialen in de wereld van 3D-printen kunnen worden gebracht.

Kristalografie, metamaterialen en 's werelds stijfste kunststofstructuur

Fotocredit ETH Zürich/MIT

Nieuwe materiaalarrangementen gaan niet altijd over het ontdekken van een nieuw materiaal of het veranderen van de chemische samenstelling van een materiaal om het afdrukbaar te maken, zoals eerdere voorbeelden illustreren. Soms kan een nieuwe manier om bestaande materialen te gebruiken iets bijzonders opleveren. Dit was het geval met verschillende materiaalstructuren die materialen bevatten die zo zijn gestructureerd dat ze opwindende resultaten opleveren.

Een gecombineerd project tussen MIT en ETH Zürich vormt een voorbeeld. Onderzoekers creëerden een materiaal met de hoogst mogelijke verhouding tussen stijfheid en gewicht door de constructie van kunststoffen op nanoschaal te herschikken. Dit resulteerde in een materiaal dat erg stijf was, terwijl het deze stijfheid ook in evenwicht hield met een relatief laag gewicht. In wezen hadden ze het stijfst mogelijke materiaal ontwikkeld, redelijk dicht bij de theoretische limieten die de natuurkunde toestaat door simpelweg de manier waarop de microstructuur is gerangschikt aan te passen.

Dit soort verhouding tussen stijfheid en gewicht is cruciaal voor zeer sterke medische implantaten, vliegtuigen en raceauto's. Zoals eerder vermeld, zit het hoofdidee niet zozeer in het gebruikte materiaal als wel in de constructie op microschaal. Met het gebruik van ingewikkelde patronen van spanten, gordels en bogen, maximaliseerden de onderzoekers kracht en uithoudingsvermogen.

Evenzo deden de onderzoekers van de University of Sheffield en het Imperial College onderzoek naar het gebruik van nieuwe microstructuren in prints om de duurzaamheid te verbeteren, in de hoop nieuwe manieren te creëren om legeringen te printen. Hun werk in het gebruik van kristallografische metamaterialen maakte gebruik van computer atomaire modellering om deze nooit eerder geziene structuren te creëren. Deze kristalstructuren, zoals ze ze beschreven, resulteren in afdrukken die zonder korrelgrenzen uitkomen, ononderbroken en ononderbroken zijn. Dit geeft de eindafdruk een betere schadetolerantie, sterkte en taaiheid.

Dergelijke materialen hebben periodieke rangschikkingen van knopen en stutten, waardoor ze lichtgewicht zijn terwijl ze een combinatie van eigenschappen vertonen die niet voorkomen in conventionele vaste stoffen. Door gebruik te maken van de verhardingsmechanismen die worden aangetroffen in kristallijne materialen om materialen te ontwikkelen die robuust en schadebestendig zijn, creëerden ze bedrukbare materialen die subtractieve productie onmogelijk zou kunnen beheren.

Een soortgelijk idee doordringt het veld van 4D-printen, waar microstructuren zo subtiel uitgebalanceerd zijn dat ze gemiddelde materialen veranderen in robots of functionele items met verschillende arrangementen. 3D-printen biedt vaak deze mogelijkheden om de kleinste details te sleutelen tot ze een ontworpen doel dienen en stimuleert het creëren van nieuwe vormen binnen de wereld van productie en onderzoek.