Home

Simpel 3D-printen met metaal

Arjen Dijkgraaf | donderdag 6 september 2018

3D-printen met metaal is uiteindelijk niet veel moeilijker dan printen met kunststof. Mits je er een amorfe metaallegering voor uitzoekt, schrijft Yale-onderzoeker Jan Schroers in het tijdschrift Materials Today.

Zo’n amorfe legering of bulk metallic glass bestaat gewoonlijk uit een mix van atomen met sterk uiteenlopende diameters. In theorie kunnen die wel uitkristalliseren maar het kost ze zo veel moeite om de juiste positie in het kristalrooster te vinden, dat het ze alleen lukt wanneer de smelt maar heel langzaam afkoelt. Gaat het sneller, dan blijft het materiaal amorf. Het levert materiaaleigenschappen op die duidelijk anders zijn dan die van kristallijn metaal, en op sommige punten duidelijk beter.

Een ander verschil met kristallijn metaal is dat de viscositeit van de smelt veel sterker afhankelijk is van de temperatuur. Vlak boven het smeltpunt is het materiaal net zo stroperig als de gesmolten kunststof waarmee goedkope filamentprinters werken. En Schroers’ idee komt dus simpelweg neer op hergebruik van die technologie, maar dan met amorf metaalfilament.

Hij heeft het met succes uitgeprobeerd met de legering Zr44Ti11Cu10Ni10Be25, waarvan hij 1 mm dikke en 70 cm lange filamenten maakte.

De temperatuur van de printkop is een trade-off tussen de viscositeit (en dus de moeite die het kost om het materiaal door de printkop te persen) en de maximale tijd die je het materiaal kunt gunnen om af te koelen. Voor de genoemde legering werkt 460 °C het beste: de viscositeit ligt dan rond de 105 Pa.s, en je hebt na het smelten 100 s voordat je de eerste kristallisatieverschijnselen ziet. Als ondergrond voor de print gebruik je een stuk staalgaas dat is voorverwarmd tot 400 °C ; bij die temperatuur laat de kristallisatie een dag op zich wachten.

Deze temperaturen ligt dus wel veel hoger dan bij kunststofprinters, en vereisen ongetwijfeld een grondig herontwerp. Maar het basisprincipe blijft hetzelfde.

Schroers en collega’s zijn tevens werkzaam bij Desktop Metal, een bedrijfje dat al langer 3D-metaalprinters levert. Die werken met een mengsel van kunststof en metaalpoeder, dat zich eveneens door een printkop laat persen. Achteraf was je de kunststof er uit en sinter je de metaalkorrels aan elkaar. Dat werkt ook maar is veel te complex voor algemeen gebruik, en bovendien gaat het sinteren gepaard met onplezierig veel krimp.

Bij printen met amorf metaal heb je van dat laatste  een ordegrootte minder last. Bovendien lijkt het proces in principe simpel genoeg voor huis-, tuin- en keukengebruik. Behalve dan wat de prijs betreft, maar wie weet.

bron: Materials Today