Nieuwe printmethode vereenvoudigt additieve productie in metaal

Bulk metallisch glas (BMG) blijkt veel eenvoudiger geprint te kunnen worden dan traditionele vormen van metaal. Zo zijn onderzoekers erin geslaagd BMG te printen op een wijze die vergelijkbaar is met plastic, zonder dat interessante eigenschappen van metaal zoals stevigheid hierbij verloren gaan.

Metaal is een stuk lastiger te printen dan plastic. Zo kan plastic worden verwarmd tot een temperatuur waaronder het zacht wordt, maar niet smelt. Dit maakt het onder meer mogelijk het materiaal met behulp van een extruder door de nozzle van een fused deposit modeling (FDM) printer te drukken. Traditionele vormen van metaal bereiken deze staat echter niet, wat het printen van metaal bemoeilijk.

Unieke atomische structuren

BMG is een speciale legering van metalen die indien deze wordt verhit niet smelt, maar zacht worden. Dit is interessant, aangezien deze eigenschap het mogelijk maakt BMG te vervormen tot een temperatuur waarbij zij voldoende zacht zijn geworden om door een extruder van een 3D-printer te persen. BMG kan hierdoor worden geprint op een wijze die vergelijkbaar is met plastic, iets wat met traditionele vormen van metaal niet mogelijk is. 

Het materiaal is een tussenvorm tussen metaal en glassoort. Dit is te danken aan de atoomstructuur van het materiaal. De atomen van traditionele vormen van metalen hebben een geordende kristallijne structuur. Indien dit materiaal zeer snel wordt afgekoeld gaat deze structuur verloren en ontstaat een niet-kristallijne microstructuur, die ook wel een amorfe structuur wordt genoemd. Metalen die deze eigenschappen bevatten worden ook wel amorfe metalen of metallisch glas genoemd. Indien dit materiaal een dikte van meer dan 1 millimeter heeft wordt het BMG genoemd. 

Verwarmen tot 460 °C

Het onderzoeksteam heeft staven van metallisch glas met een diameter van één millimeter en een lengte van 700 mm gemaakt. Deze staven worden verwarmd tot een temperatuur van 460 °C en met een kracht van 10 tot 1000 Newtons door een nozzle van 0,5 mm gedrukt. Het metaal kan onder deze omstandigheden op een FDM printer worden geprint op een wijze die vergelijkbaar is met het printen van bijvoorbeeld ABS of PLA. 

De methode is ontwikkeld door een onderzoeksteam dat bestaat uit onderzoekers van de Yale University, experts van het bedrijf Desktop Metal en onderzoekers van het MIT. Het team staat onder leiding van hoogleraar werktuigbouwkundige en materiaalwetenschappen Jan Schroers van de Yale University. Schroers richt zich al langer op het onderzoeken van BMG’s. Zo wist Schroers in 2011 met behulp van BMG’s onder meer parfumflesjes, lenzen en cilinders te blazen. Hierbij werd een proces gebruikt dat vergelijkbaar is met glasblazen. 

Additieve productie revolutioneren

De onderzoekers verwachten dat hun printmethode met BMG’s additieve productie in metaal zal revolutioneren. “Naast prototyping, maken de gerealiseerde eigenschappen van geprinte onderdelen in combinatie met de veelzijdigheid in het ontwerp van onderdelen deze 3D-printtechnologie geschikt voor het fabriceren van componenten met hoge prestaties voor toepassingen in de medische sector, luchtvaart en ruimtevaart”, zegt Punnathat Bordeenithikasem, postdoctoraal bursaal bij het NASA Jet Propulsion Laboratory van het California Institute of Technology en recentelijk afgestudeerd aan de Yale University. 

Meer informatie over de 3D-printtechniek is te vinden in een paper die het onderzoeksteam heeft gepubliceerd in ScienceDirect. 

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Bron: Yale University
Bron: ScienceDirect 
Bron: EurekAlert!
Bron foto: Pixabay / creil91