Amerikanen 3D-printen luchtvaartwaardig carbon

De Amerikaanse onderzoeksinstelling Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) heeft het als eerste voor elkaar gekregen om een hoogwaardige aerospace kwaliteit carbon (koolstofvezel) te 3D-printen.

De doorbraak opent volgens de onderzoekers de deur naar een betere controle en optimalisatie van het lichtgewicht maar ijzersterke materiaal. Carbon is doorgaans sterker dan staal.  
“Het mantra is: ‘Als je alles van carbon zou kunnen maken, dan zou je het doen’”, aldus hoofdonderzoeker Jim Lewicki op de website van LLNL. “In potentie is carbon het ultieme materiaal. Het heeft jarenlang achter de schermen staan wachten, omdat het moeilijk is om carbon in complexe vormen te maken. Maar met 3D-printen kun je in principe alles van carbon maken.” 

Complexe structuren

Carbon is een lichtgewicht maar tegelijkertijd stijf en sterk materiaal dat goed bestand is tegen temperatuur. Dit maakt het composiet met name geschikt voor de luchtvaart, defensie, automotive en sport (bijvoorbeeld surfen en motorracen). 
Carbon composieten worden normaal gesproken op twee manieren gefabriceerd: door het fysiek wikkelen van de filamenten rond een spil of door de vezels samen te weven als een rieten mand, wat resulteert in een eindproduct dat ofwel plat ofwel cilindrisch is. 

De onderzoekers van LLNL zijn er nu in geslaagd om complexe 3D-structuren te printen van carbon met een techniek die Direct Ink Writing (DIW) is genoemd. Het instituut printte onder andere een onderdeel van een racketneus van carbon. 
Lewicki en zijn team hebben daarnaast ook een nieuw chemische samenstelling ontwikkeld die het mogelijk maakt om materiaal in seconden te herstellen, daar waar dat normaal gesproken uren duurt.

Simulatie

Simulatie vormde een belangrijk onderdeel van de technologie. Engineers hebben duizenden carbonvezels gesimuleerd om na te gaan hoe zij van de spuitstuk afkwamen en zo te bepalen hoe ze het beste uitgelijnd konden worden. 
“We ontwikkelden een numerieke code die een niet-Newtonse vloeistof polymeerhars met een dispersie van koolstofvezels simuleert. Met deze code kunnen we de evolutie van de vezel-oriëntaties in 3D onder verschillende afdrukken simuleren”, zegt analist vloeistof Yuliya Kanarska.” We waren in staat om de optimale vezellengte en optimale prestaties te vinden, maar het is nog steeds een work in progress. Voortdurende inspanningen hebben betrekking op het bereiken van nog betere afstemming van de vezels door het toepassen van magnetische krachten om ze te stabiliseren.” 

Met deze technologie kunnen ze voor specifieke toepassingen specifieke koolstofvezel materialen gaan ontwikkelen. Direct Ink Writing maakt het ook mogelijk om onderdelen te printen waarbij alle koolstofvezels in dezelfde richting liggen. Volgens de onderzoekers is daardoor tweederde minder carbonfiber nodig maar met dezelfde eigenschappen als de traditionele carbon. 
De onderzoekers gaan het proces nu optimaliseren en bekijken wat de beste plekken zijn om het carbonfiber neer te leggen. Er zijn al gesprekken geweest met onder andere luchtvaartbedrijven. 

Een uitgebreide (Engelstalige) uiteenzetting van de totstandkoming van het 3D-geprinte carbon lees je op http://www.nature.com/articles/srep43401.

Bekijk hier ook het filmpje over de techniek: https://youtu.be/jfFpd4ZQ0Ic

Bron: Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)

Door: Kelly Bakker