Nanoteknologi kan give gennembrud til 3D-print i metal
Nanopartikler gør det muligt at 3D-printe med mange flere metallegeringer. Det kan betyde mange flere 3D-printede metaldele.

Her fortæller forskere fra HRL om deres resultat med 3D-print af metal. (Video: HRL Laboratories, LLC)

Der er næsten ingen grænser for, hvad man kan 3D-printe. Alt fra små plasticdimser over kropsdele til hele huse kan fremstilles, når man får en 3D-printer til at lægge lag på lag, så den færdige struktur til sidst åbenbarer sig.

Men det har knebet lidt med at 3D-printe metal, i hvert fald når det kommer til nogle af de metallegeringer, der er mest interessante for industrien. De fleste legeringer lader sig simpelthen ikke printe, uden at metallet slår revner og bliver ubrugeligt.

Sådan har det i hvert fald været hidtil, men nu har amerikanske forskere fra University of California og firmaet HRL Laboratories fundet en metode, der kan betyde et gennembrud for den industrielle brug af 3D-print – eller additive manufacturing, som det kaldes i branchen – til fremstilling af metalkomponenter.

Historien kort
  • Flere metallegeringer kan 3D-printes, når metalpulveret tilsættes nanopartikler.
  • De kan give industrien en ny palet af muligheder for 3D-print af metal.
  • For eksempel kan biler, fly, implantater og sportsudstyr få 3D-printede metaldele.

Forskerne har fundet ud af, at nanopartikler kan gøre en enorm forskel for kvaliteten af 3D-printet metal. Det fremgår af en artikel i det videnskabelige tidsskrift Nature.

Laser smelter metalpulveret

Når man printer med metal, foregår det typisk ved, at et tyndt lag metalpulver deponeres på en overflade, hvorefter det smeltes ved hjælp af en laserstråle. Så smelter metallet sammen med det underliggende lag metal, og ved at gentage processen mange gange, får man til sidst den ønskede form.

Problemet har været, at metallegeringen ikke størknede i helt samme tempo overalt, og så kom der revner. Men forskerne fandt ud af, at de ved at tilføje nanopartikler til metalpulveret kunne styre størkningen, så de undgik revnerne.

»Det ser spændende ud. De får tilsyneladende noget bedre resultater, når de blander nanopartikler i,« siger sektionsleder Jeppe Skinnerup Byskov fra gruppen for industriel 3D-print på Teknologisk Institut.

»Metoden har et stort potentiale, netop fordi der normalt er risiko for revnedannelser og porøsiteter for nogle af de interessante legeringer, når man 3D-printer dem. Det er et kendt problem med metal. Så får man hverken den rette styrke eller det visuelle udtryk, man gerne vil have.«

Computer fandt mulighederne

De amerikanske forskere lod en computer regne på mere end 4.500 forskellige kombinationer af legeringer og nanopartikler, og ud fra resultaterne parrede de to forskellige aluminiumslegeringer (7075 og 6061) med nanopartikler af zirkonium.

3D-printet aluminium

Når metal 3D-printes, smelter metalpulver ved varmen fra en laserstråle. Med en ny metode kan mange flere legeringer, for eksempel baseret på aluminium, 3D-printes. (Foto: M. Durant)

Legeringerne har været uhyre svære at 3D-printe med gode resultater, men når først nanopartiklerne havde sat sig på partiklerne i metalpulveret, gik det meget bedre. Med nanopartiklernes hjælp kunne pulveret smelte ordentlig sammen.

»Vi startede med disse aluminiumslegeringerne, fordi de historisk har været nogle af dem, der har været mest tilbøjelige til at revne og svære at svejse sammen. Vores håb var, at vi nemt kunne bruge vores metode på mindre udfordrende materialer, når vi først havde demonstreret den på de sværeste legeringer,« skriver Nature-artiklens førsteforfatter Hunter Martin fra HRL i en mail til Videnskab.dk.

Flere legeringer på vej

Med 3D-metalprint kan man opnå samme styrke som ved traditionel bearbejdning, og ofte er det færdige resultat bedre end en støbt version af samme legering – også fordi man opnår større frihed i designet. Men det kræver altså, at legeringen ikke driller.

I eksperimentet havde de normalt besværlige aluminiumslegeringer samme styrke som støbte legeringer og den dobbelt styrke af de tilsvarende aluminiumslegeringer, der blev 3D-printet uden nanopartikler.

Udover aluminiumslegeringer vil metoden blandt andet kunne bruges til nikkellegeringer og såkaldte superlegeringer, der er ekstra stærke og holdbare. Det håber forskerne i hvert fald.

»Vi har undersøgt andre systemer internt, også materialer uden aluminium. Resultaterne er lovende,« fortsætter Hunter Martin.

Metalprint til alverdens ting

Nanoteknologien kan sikre, at metalprint ikke kun bruges til nicheprodukter, men at teknologien kan komme bredere ud og i større omfang bruges i fremstillingen af metaldele til alverdens produkter.

Metalpulver til 3D-printer

3D-printeren blev fodret med metalpulver tilsat nanopartikler. Så størknede metallet mere jævnt, så revner kunne undgås. (Foto: B. Ferguson)

»Der er masser af potentielle anvendelsesmuligheder, lige fra fly og biler til medicinske implantater og sportsudstyr. Vores mål var at fjerne en af de vigtigste barrierer for, at additive manufacturing kan tages i brug i alle disse industrier,« skriver Hunter Martin.

Jeppe Byskov er enig i, at det nye forskningsresultat kan føre til flere 3D-printede metalprodukter:

»Det er absolut et skridt i den rigtige retning. Når der bliver åbnet op for at bruge flere legeringer i metalprint, bliver anvendelsesmulighederne meget større. Jo flere legeringer, der kan kvalitetssikres, desto større vil udbredelsen af 3D-printet metal blive.«

Danske firmaer vil 3D-printe

På Teknologisk Institut printer man i en række legeringer, hvor der ikke opstår porøsiteter og revnedannelse, men forskerne kender godt udfordringen med defekter, når nye legeringer skal køres ind.

For eksempel efterspurgte en række virksomheder en ny aluminiumlegering, men med de eksisterende metoder kunne revnedannelse ikke undgås. Det kan måske ændre sig nu.

Jeppe Byskov nævner Bang og Olufsen, Danfoss og Terma som eksempler på danske virksomheder, der i højere grad ville tage 3D-metalprint til sig, hvis man kunne bruge flere legeringer.

Han vil dog gerne se nogle flere resultater, før han rigtig tør tro på, at anvendelsen af nanopartikler er vejen frem.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud