Metalen 4D-print met behulp van metaalgels

De stap naar additive manufacturing en slimme zelf assemblerende materialen is gezet. Welkom in de wereld van 3D en 4D printen van metalen!  In een verre toekomst zullen metalen opslagsystemen zichzelf aanpassen zonder menselijke tussenkomst.

Maar laten we beginnen bij het begin, naarmate additive manufacturing van metaal zich verder ontwikkelt, evolueren ook de metaalmaterialen. De unieke 3D printprocessen, van lasergebaseerde tot binder jetting, blijken bijzonder goed te reageren op nieuwe metaallegeringen en zelfs op de afmetingen van metaalpoederdeeltjes. We zullen hier niet in detail treden, maar deze nieuwe manieren om metalen onderdelen te maken hebben een hele nieuwe industrie in metalen materialen doen ontstaan.

Naarmate meer industrieën belangrijke toepassingen overzetten naar 3D-printen, ontstaan er nieuwe mogelijkheden voor materialen en 4D-printing. De metalen voorbeelden in onze nieuwsbrief zijn slechts het startpunt van wat er vandaag mogelijk is als producenten van metaalmaterialen. Maar men blijft de grenzen verleggen en metaallegeringen op maat maken voor specifieke behoeften met behulp van 3D- en 4D printtechnologie voor metaal. Foto: bron Mercedes-Benz,3D-geprinte metalen spare parts

Bij metal binder jetting wordt voor het printen van iedere laag van een object een nieuwe laag poedermateriaal op het printbed gelegd. Deze laag wordt op de gewenste locaties uitgehard, waarna het proces wordt herhaald om de volgende laag te creëren.

Het is moeilijk “precies” te voorspellen wanneer 4D-geprinte stalen materialen de huidige conventionele producten zouden kunnen vervangen in magazijninrichting, omdat dit afhankelijk is van verschillende factoren. Waaronder technologische vooruitgang, onderzoek en ontwikkeling, en acceptatie in de industrie. Echter, gezien de snelheid van technologische vooruitgang en de interesse in 3D- en 4D-printen, zou het kunnen dat we in de komende decennia significante ontwikkelingen zien op dit gebied. Momenteel bevindt 4D-printen zich nog in een vroeg stadium van ontwikkeling en wordt het voornamelijk toegepast in onderzoekslaboratoria en gespecialiseerde toepassingen. Om op grote schaal te worden toegepast in industrieën zoals magazijninrichting, moeten er nog enkele technische uitdagingen worden overwonnen, zoals het verbeteren van de sterkte, duurzaamheid en kosteneffectiviteit van 4D-geprinte materialen.

Het is mogelijk dat we binnen de komende 10 tot 20 jaar significante vooruitgang zien op het gebied van 4D-printen en dat de technologie steeds meer wordt geaccepteerd in verschillende sectoren. Echter, het vervangen van staal als het dominante materiaal voor magazijninrichting zou waarschijnlijk nog langer duren, gezien de gevestigde en betrouwbare aard van staal in de industrie.

4D-printen met geavanceerde grondstoffen en materialen kunnen verschillende eigenschappen hebben die ze geschikt maken voor magazijninrichting. Enkele voorbeelden zijn:

Programmeerbare Materialen: Deze materialen kunnen worden geprogrammeerd om specifieke reacties te vertonen onder bepaalde omstandigheden. Bijvoorbeeld, een materiaal dat reageert op licht, temperatuur of magnetische velden. Door deze materialen te integreren in opslagsystemen, kunnen ze zichzelf aanpassen aan veranderende omstandigheden in het magazijn, zoals het verplaatsen van rekken of het veranderen van hun vorm of grootte.

Shape Memory Polymers, SMPs, zijn polymeren die hun oorspronkelijke vorm kunnen behouden na het ondergaan van een vervorming, zoals het uitzetten of krimpen onder invloed van externe omstandigheden. Deze materialen kunnen worden gebruikt om opslagsystemen te creëren die zichzelf kunnen aanpassen aan veranderingen in temperatuur, waardoor ze geschikt zijn voor magazijnen met variërende klimaatomstandigheden.

Hydrogel materialen: hydrogels zijn polymeren die grote hoeveelheden water kunnen vasthouden. Door de hoeveelheid water in de hydrogel te reguleren, kunnen de eigenschappen van het materiaal veranderen, zoals de stijfheid of de grootte. Hydrogels kunnen worden gebruikt in opslagsystemen om zich aan te passen aan veranderingen in vochtigheid, bijvoorbeeld door items te beschermen tegen vocht of door zichzelf uit te breiden om meer ruimte te bieden voor opslag.

Al deze bovenstaande geavanceerde materialen bieden nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van opslagsystemen die zichzelf kunnen aanpassen aan veranderende omstandigheden, waardoor magazijnen flexibeler en efficiënter kunnen worden.

Onderzoekers aan een Amerikaanse universiteit hebben een manier ontwikkeld om vaste metalen te printen bij kamertemperatuur met behulp van metaalgels die gebruikt kunnen worden voor 4D printen. 

4D printen verwijst naar 3D-geprinte structuren die van vorm veranderen in de tijd als reactie op een externe stimulus. Tot nu toe hebben 4D printtechnieken zich voornamelijk gericht op elektrisch isolerende materialen, zoals polymeren. Het toevoegen van geleidende vulstoffen aan polymeren zou de functionaliteit van de geprinte onderdelen kunnen verhogen, maar de hoge belasting die nodig is om geleidbaarheid te bereiken vormt een wisselwerking met de printbaarheid.

Hierin verbinden we koper (Cu) deeltjes met zachte eutectische gallium indium legering (EGaIn) om een geleidende 4D printinkt (Cu-GaIn) te vormen met gel-achtige eigenschappen die goed geschikt zijn voor printen.  De inkten zijn vergelijkbaar met nat zand.  Nat zand bestaat uit vaste deeltjes (zand) verbonden door "bruggen" van water omgeven door lucht.  Hier is het zand vervangen door koper, zijn de water'bruggen' vervangen door vloeibaar metaal en is de lucht vervangen door water. 

De uiteindelijke geprinte onderdelen hebben een totaal metaalgehalte van 97,5% en de rest is methylcellulose, een reologische modificator. De geprinte onderdelen hebben een extreem hoog elektrisch geleidingsvermogen. Cu-GaIn biedt een oplossing voor de tegenstelling tussen geleidbaarheid en printbaarheid en zou nieuwe mogelijkheden moeten bieden voor elektronische, thermische en composietapparaten.

4D-printing, we schreven er al in de vorige nieuwsbrief over, kan worden gedefinieerd als het creëren van materialen die geproduceerd of geassembleerd kunnen worden in één configuratie en zichzelf vervolgens kunnen aanpassen door zichzelf te assembleren in een tweede, te programmeren configuratie.

Die transformatie kan gestuurd worden door het gebruiken van slimme materialen die zichzelf veranderen op basis van een vooraf ingestelde serie van bewegingen die geheel te programmeren zijn.

Dit is de volgende stap in “additive manufacturing”, objecten die op commando kunnen veranderen en meer verschillende functionaliteiten bieden en opdrachten aankunnen, nadat ze geprint zijn.

Die vierde dimensie is die van tijd. Daarom dus de naam 4D-printing. Omgevingsstimuli kunnen licht, warmte, trillingen of magnetische velden zijn met als doel dat objecten zichzelf assembleren, opnieuw instellen of aanpassen qua vorm.

Het hybride materiaal dat dus een combinatie is van de vezels en de gel, is sterk en veelzijdig. Als een object een andere vorm kan aannemen, is het niet langer nodig om voor elke toepassing een nieuw onderdeel te maken. Het is nu dus al gelukt om meerdere gedragingen in een object te programmeren door het gebruik van een gecombineerd materiaal.

Hiermee kunnen bijvoorbeeld robots gebouwd worden die binnen in het menselijk lichaam onderzoek doen omdat ze zich kunnen aanpassen aan de omgeving. Geen scherpe hoeken of tandwielen meer, maar een zacht, vervormbaar robotje dat geprogrammeerd kan worden.

Het proces van 4D-printen maakt gebruik van materialen die geprogrammeerd zijn om te reageren op specifieke externe omstandigheden, zoals temperatuur, vochtigheid of druk. Wanneer deze materialen worden gebruikt om objecten te produceren, kunnen ze zichzelf aanpassen aan veranderingen in deze omstandigheden zonder menselijke tussenkomst.

Bijvoorbeeld, een 4D-geprint opslagsysteem kan worden ontworpen met materialen die uitzetten of samentrekken onder bepaalde omstandigheden. Als het systeem detecteert dat er grotere items moeten worden opgeslagen, kan het zichzelf automatisch aanpassen door de ruimte tussen de rekken te vergroten. Dit kan gebeuren door middel van ingebouwde sensoren die de omgevingsomstandigheden detecteren en actuatoren die de benodigde aanpassingen maken.

Op deze manier kunnen 4D-opslagsystemen zichzelf aanpassen aan veranderende behoeften zonder menselijke tussenkomst, waardoor magazijnen efficiënter kunnen opereren en zich gemakkelijker kunnen aanpassen aan veranderende inventarisbehoeften.

Het vermogen van 4D-geprinte materialen om zware lasten te dragen hangt af van verschillende factoren, waaronder het specifieke materiaal dat wordt gebruikt. Het is mogelijk dat geavanceerde materialen zoals shape memory polymers (SMPs) of hydrogels in de toekomst ontwikkeld worden tot materialen die geschikt zijn voor het dragen van zware lasten. Echter, op dit moment zijn deze materialen misschien nog niet zo sterk als traditionele materialen zoals staal voor het dragen van dergelijke zware lasten.

Daarom is het op dit moment zo dat 4D-geprinte legbordstellingen mogelijk niet in staat zijn om op elk legbord 500 kilo aan goederen op te slaan. Voor zware lasten blijft staal momenteel een betrouwbaar materiaal.

Het is belangrijk op te merken dat 4D-printen nog steeds een opkomende technologie is en dat onderzoekers en ingenieurs mogelijk in de toekomst nieuwe materialen en technieken ontwikkelen die geschikt zijn voor het dragen van zware lasten. Tot die tijd blijft staal een van de meest gebruikte materialen voor het ontwerpen van legbordstellingen met een hoog draagvermogen.

Roestvrij staal is natuurlijk niet het enige materiaal, er zijn een groot aantal legeringsvariëteiten die vaak worden gebruikt bij 3D printen. Roestvrij staal is speciaal ontworpen voor corrosiebestendigheid. Het is een lichtgewicht en betaalbaar metaal dat ideaal is voor 3D printen. Vandaag de dag kiezen fabrikanten in 3D-printen het roestvast staal omdat het sneller en goedkoper is dan traditionele methoden voor kleine volumes en ingewikkelde onderdelen. U kunt roestvast staal gebruiken in bijna elk type 3D printen. Foto: 3D-geprinte roestvast stalen propeller (Bron: Desktop Metal).

Gereedschapsstaal is er, net als roestvast staal, in verschillende soorten met verschillende niveaus van treksterkte, vervormbaarheid, hardheid en andere eigenschappen. Ze staan bekend om hun hardheid, slijtvastheid en het vermogen om een snijkant te behouden bij hoge temperaturen. Dit 3D-geprinte staal wordt vaak gebruikt voor het maken van inzetstukken voor spuitgietmatrijzen, ruimtevaartonderdelen, militaire toepassingen, productiegereedschap en in de architectuur en bouw.

Het belangrijkste voordeel van 3D-geprint gereedschapsstaal is niet alleen de sterkte, maar ook de unieke mogelijkheid om onderdelen te maken met interne kanalen (zoals conforme koelkanalen in spuitgietgereedschap) en roostervullingen, die onmogelijk te maken zijn met traditionele methoden.