Vier Aangepaste Materialen Geoptimaliseerd voor Additieve Fabricage Succes

Met de voortdurende groei van additieve fabricage, hebben bedrijven en onderzoekers diverse sub-technologieën, add-ons en manieren van printoptimalisatie bedacht. Echter, een andere manier om een geoptimaliseerd object te bereiken is het optimaliseren van het gebruikte materiaal. Dit heeft geleid tot diverse materialen gemaakt voor 3D-printen, die allemaal ideale eigenschappen vertonen die bereikt zijn door precieze controle.

Enkele van deze materialen zijn erg 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

Foto Credit: Beamler

Uitgeroepen als het eerste originele materiaal specifiek ontwikkeld voor 3D-printen, is deze mengsel van scandium (Sc), aluminium (Al) en magnesium (Mg) allemaal samengevoegd in een enkele legering. Het materiaal werd oorspronkelijk ontwikkeld en gepatenteerd door APWorks, een dochteronderneming van de Airbus-groep. Als metaalprintmateriaal presenteert het enkele unieke kenmerken zoals versterkte sterkte (voornamelijk door de aanwezigheid van Scandium).

Wat sterkte betreft, kan het traditioneel aluminium en veel van zijn derivaten overtreffen. Het is zelfs sterker dan titanium in combinatie met lichtgewicht en corrosiebestendig. Natuurlijk kan het materiaal duur zijn om te creëren omdat het Scandium bevat, wat een zeldzaam metaal is dat ook duur is om uit de ertsen te extraheren. Prijzen van Scandium kunnen fluctueren tussen VS$4.000 en VS$20.000 per kilogram, met de primaire mijnlocaties in China en Rusland.

Scalmalloy is het meest nuttig voor hoge uithoudingsvermogen, langdurige onderdelen. Dit is waarom het populair wordt in de automotive-industrie en robotica, vaak als onderdeel van warmtewisselaars. Zoals men zou vermoeden, speelt Scalmalloy ook een cruciale rol in zijn oorsprongsindustrie: luchtvaart.

NewGen SLM Materialen

Foto Credit: TU Graz

Dit metaal kwam compliments van Oostenrijk's TU Graz, een mengsel van siliciumnitride toepassend op het ontwikkelen van metaal-AM-toegeweijd Roestvrij Staal. Aangeduid als NewGen SLM materialen, presenteren ze meer gecontroleerde reacties tijdens het formatieproces, resulterend in verbeterde oppervlakteafwerking en het minimaliseren van de noodzaak voor ondersteuningen. 316L roestvrij staal is een van de meest voorkomende materialen met toepassingen in meerdere industrieën wereldwijd en de NewGen versie presenteert verbeterde kenmerken specifiek voor printen met Selective Laser Melting.

De onderzoekers testten diverse versies van het gemodificeerde roestvrij staal mengsel met meerdere blends. In het testen van andere materialen voor mechanische eigenschappen en porositeit, kwamen ze tot de conclusie dat vervormingen bij sinteren reduceerbaar waren door strikte controle van de siliciumnitride en boriden erin. Ze publiceerden deze bevindingen in het academische artikel "Improving the Dimensional Stability and Mechanical Properties of AISI 316L + B Sinters by Si3N4 Addition".

Als boriden de dichtheid van het sinter verhogen, smelten ze niet goed in ijzer-gebaseerde materialen. Als resultaat kunnen ongewenste lagen vormen rond het deeltje. Siliciumnitride mitigeert deze factor en leidt tot betere oppervlakteafwerking. De onderzoekers hebben het metaalpoeder gemodificeerd niet alleen voor betere mechanische en eindgebruikseigenschappen, maar ook zodat NewGen SLM materialen minder ondersteuningsstructuren vereisen. Hierdoor kan het gemodificeerde roestvrij staal zelfs lichter zijn dan conventionele metaalprints.

Momenteel commercialiseren de onderzoekers nog steeds dit specifieke materiaal. Ze verbeteren ook deze onderzoekslijn om te testen op andere dergelijke materialen die op vergelijkbare wijze kunnen profiteren. Hun werk heeft aandacht gekregen en ze werken met een spin-off fellowship programma om een propere start-up te vestigen.

3D-Geprint Hoogsterkte Aluminiumlegering

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

Uitgevonden door HRL Laboratories, werd deze specifieke stam van aluminium recent gecommercialiseerd en geregistreerd door de Aluminium Associatie. Het additief geproduceerde hoogsterkte aluminium, markeerde ook de eerste ooit registratie van zo'n legering door de Aluminium Associatie, ontvangend het registratienummer 7A77.50 voor het aluminiumpoeder, en nummer 7A77.60L voor de geprint legering zelf.

Dit materiaal was ook bijzonder in dat het de nieuwe additieve legeringsregistratiesysteem van de associatie markeerde in februari 2019. Dit was een direct resultaat van de diverse nieuwe materialen die opkwamen door additieve fabricagemogelijkheden. Dit was de eerste legering van zijn soort die printbaar was.

Chemisch werd de legering ontwikkeld met behulp van HRL's nanopartikel functionalisatietechniek. Dit specifieke materiaal gebruikt zirconium-gebaseerde nanopartikelen, echter, het echte voordeel van deze materiaalproductiemodus is dat het toegepast kan worden op een breed scala aan andere metalen en legeringen die vaak als onprintbaar worden beschouwd. Als resultaat kijken HRL ook naar de diverse andere manieren waarop nieuwe materialen in de 3D-printwereld gebracht kunnen worden.

Kristallografie, Metamaterialen & 's Werelds Stijfste Plastic Structuur

Foto Credit ETH Zurich/MIT

Nieuwe materiaalarrangementen gaan niet altijd over het ontdekken van een nieuw materiaal of het wijzigen van de chemische samenstelling van een materiaal om het printbaar te maken zoals eerdere voorbeelden illustreren. Soms kan een nieuwe manier van het gebruiken van bestaande materialen iets buitengewoons opleveren. Dit was het geval met diverse materiaalstructuren die materialen bevatten gestructureerd op een manier dat ze opwindende resultaten produceren.

Een gecombineerd project tussen MIT en ETH Zurich dijt als een voorbeeld. Onderzoekers creëerden een materiaal met de hoogste stijfheid-tot-gewicht verhouding mogelijk door de constructie van kunststoffen op de nanoschaal te herarrangeren. Dit resulteerde in een materiaal dat zeer rigide was, terwijl deze stijfheid gebalanceerd werd met een relatief laag gewicht. In essentie hadden ze het stijfste materiaal mogelijk ontwikkeld, vrij dicht bij de theoretische limieten die de fysica toestaat, door simpelweg de manieren te wijzigen waarop de microstructuur gerangschikt is.

Deze soort stijfheid-tot-gewicht verhouding is cruciaal voor hoogsterkte medische implantaten, vliegtuigen en raceauto's. Zoals eerder vermeld, zit het hoofdiddee niet zoveel in het gebruikte materiaal als in de constructie op de microschaal. Met het gebruik van ingewikkelde patronen van traagstructuren, gordels en boogvormen, maximaliseerden de onderzoekers sterkte en uithoudingsvermogen.

Op dezelfde manier onderzochten onderzoekers van de Universiteit van Sheffield en Imperial College het gebruik van nieuwe microstructuren in prints om duurzaamheid te verbeteren, met de hoop nieuwe manieren van printen van legeringen te creëren. Hun werk in het gebruik van kristallografische metamaterialen maakte gebruik van computergestuurde atoommodeling om deze nog nooit geziene structuren te creëren. Deze kristalstructuren, zoals ze ze beschreven, resulteren in prints die zonder korngrenzen uitkomen, continu en ongebroken. Dit geeft de eindprint betere schadetolerantie, sterkte en zwaarte.

Dergelijke materialen hebben periodieke arrangementen van knopen en staven, wat ze lichtgewicht maakt terwijl ze een combinatie van eigenschappen vertonen die niet in conventionele vastestoffen voorkomen. Door de verhardingsmechanismen te gebruiken die in kristallijne materialen gevonden worden om materialen te ontwikkelen die robuust en schadetolerant zijn, creëerden ze printbare materialen die subtractieve fabricage niet mogelijk kan managen.

Een vergelijkbaar idee doordringt het veld van 4D-printen, waar microstructuren zo delicaat gebalanceerd zijn dat ze gemiddelde materialen in robots of functionele items met diverse arrangementen veranderen. 3D-printen biedt vaak deze mogelijkheden om de minuutste details te knobbelen tot ze een ontworpen doel dienen en moedigt de creatie van nieuwe vormen aan in de wereld van productie en onderzoek.