3D-printen op metaal heeft een enorm potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de moderne productie. Echter, de meest populaire metaaldrukprocessen, die lasers gebruiken om fijn metaalpoeder samen te smelten, hebben hun beperkingen. Onderdelen die zijn geproduceerd met behulp van selectief lasersmelten (SLM) en andere metaaltechnieken op poederbasis, eindigen vaak met gaten of defecten die worden veroorzaakt door verschillende factoren.

Om de nadelen van SLM te overwinnen, Lawrence Livermore National Laboratory-onderzoekers, samen met medewerkers van het Worchester Polytechnic Institute, een geheel nieuwe benadering van 3D-metaalprinten met een proces dat ze direct metaalschrijven noemen, waarbij halfvast metaal direct uit een mondstuk wordt geëxtrudeerd. Het metaal is ontworpen als een afschuifverdunnend materiaal, wat betekent dat het zich als een vaste stof gedraagt ​​wanneer hij stilstaat, maar stroomt als een vloeistof wanneer er een kracht op wordt uitgeoefend. De resultaten van de lopende driejarige studie werden in februari gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven .

"We zijn op nieuw terrein, " zei hoofdauteur Wen Chen, een LLNL materiaalwetenschapper. "We hebben een nieuwe metaaladditieve fabricagetechniek ontwikkeld waarvan mensen nog niet op de hoogte zijn. Ik denk dat veel mensen geïnteresseerd zullen zijn om dit werk voort te zetten en uit te breiden naar andere legeringen."

In plaats van te beginnen met metaalpoeder, de directe metaalschrijftechniek maakt gebruik van een staaf die wordt verwarmd totdat deze een halfvaste toestand bereikt - vaste metaaldeeltjes worden omgeven door een vloeibaar metaal, resulterend in een pasta-achtig gedrag, dan wordt het door een mondstuk geperst. Het materiaal is shear dunner omdat, als het in rust is, de vaste metaaldeeltjes klonteren samen en zorgen ervoor dat de structuur stevig wordt. Zodra het materiaal beweegt, of staat in de tang, de vaste deeltjes vallen uiteen en het systeem werkt als de vloeibare matrix. Het wordt hard als het afkoelt, dus er is minder opgenomen oxide en minder restspanning in het onderdeel, legden de onderzoekers uit.

Hoewel aangemoedigd door hun succes bij het drukken van proefstukken, de onderzoekers waarschuwden dat de methode zich nog in de beginfase bevindt en meer werk nodig zal hebben om onderdelen met een hogere resolutie te bereiken met meer industrievriendelijke metalen, zoals aluminium en titanium. In de krant, het team produceerde onderdelen met behulp van een bismut-tinmengsel, met een laag smeltpunt van minder dan 300 graden Celsius. Het proces duurde talloze iteraties om goed te krijgen, toen onderzoekers het probleem van dendrieten tegenkwamen - vingers van massief metaal die vast zouden komen te zitten in het mondstuk.

"Het belangrijkste probleem was om zeer strakke controle over de stroom te krijgen, "Zei LLNL-ingenieur Andy Pascall. "Je hebt nauwkeurige controle van de temperatuur nodig. Hoe je het roert, hoe snel je het roert, maakt allemaal een verschil. Als u de stroomeigenschappen goed kunt krijgen, dan heb je echt wat. Wat we hebben gedaan, is echt begrijpen hoe het materiaal door het mondstuk stroomt. Nu hebben we zo'n goede controle gekregen dat we zelfdragende structuren kunnen printen. Dat is nog nooit eerder gedaan."

De onderzoekers zeiden dat de laatste studie nauwkeurige bedrijfsomstandigheden zal bieden voor het printen met metaal rechtstreeks vanuit een mondstuk. Ze gaan al over op aluminiumlegeringen, een metaal dat aantrekkelijker zou zijn voor industrieën zoals ruimtevaart en transport, maar zal uitdagingen opleveren vanwege het hogere smeltpunt.

"Op deze manier onderdelen uit metaal kunnen printen is potentieel belangrijk, " zei stafwetenschapper Luke Thornley, die werkte aan de engineering van het materiaal. "Zoveel van het werk dat in validatie en analyse op defecten zit, zou worden geëlimineerd. We kunnen minder materiaal gebruiken om onderdelen te maken, wat lichtere delen betekent, wat groot zou zijn voor de ruimtevaart."