Hvordan kvasi‑krystaller styrker luftfartsklassificeret 3D‑printet aluminium

Fra teori til praksis

Nogle gange tildeles Nobelprisen forskning, der kan være lidt abstrakt for den brede offentlighed. Det var tilfældet for 2011 Nobelprisen i kemi, som belønnede opdagelsen af “kvasi‑krystaller”.

Det skyldes, at mange materialer i naturen, såvel som menneskeskabte, er organiseret i “normale” krystaller. De defineres af en simpel 3D‑struktur på atomart niveau, som gentages millioner af gange op til den makroskopiske skala. Disse strukturer giver egenskaberne til forskellige metaller samt andre materialer som siliciumet i computerchips og solpaneler.

Der er kun 230 mulige måder for atomer at danne gentagne krystalstrukturer, noget der tidligere blev betragtet som en stiv regel i naturen.

Kilde: Nobel Prize

Det viste sig dog, at andre strukturer var mulige, hvor nogle få grundformer kan samles for at organisere regelmæssige molekylære strukturer, samtidig med at de ikke har et gentagende mønster. Denne opdagelse blev gjort af en forsker, der primært arbejder ved National Institute of Standards and Technology (NIST).

Kilde: NIST

Andrew Iams, en forsker ved NIST, kan have fundet praktiske anvendelser for sådanne kvasi‑krystaller, da de dannes under 3D‑printning af aluminium. Da aluminium er et meget nyttigt metal i luftfartsapplikationer, men også bemærkelsesværdigt svært at 3D‑print, kan dette udgøre et stort gennembrud.

(Du kan læse en oversigt over 3D‑printningsindustrien i vores artikel “3D Printing Consolidating Into The Future Of Manufacturing”.

Disse resultater¹, udført af forskere ved NIST, HRL Laboratories LLC og L.A. Giannuzzi & Associates LLC, blev offentliggjort i Journal of Alloys and Compounds under titlen “Microstructural features and metastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated using additive manufacturing”.

Hvorfor er krystaller vigtige?

Selvom en krystallinsk struktur kan give særlige egenskaber til et materiale, medfører den også svagheder.

Da strukturen er ekstremt regelmæssig, kan det være let for atomerne at glide forbi hinanden. Når dette sker i stor skala, skaber det mikrosprækker eller endda store revner i materialet, hvilket samlet set gør det svagere, end det teoretisk kunne være.

Dette problem forstørres ved 3D‑printning, fordi metallet smeltes i små mængder og derefter afkøles mange gange. Og både ved 3D‑printning og traditionel smedning er aluminium særligt udsat for såkaldte størkningsrevner eller varm revnedannelse.

Dette sker, når den resterende flydende metal ikke kan kompensere for sammentrækningen af den afkølede, allerede faste metal. Sådanne revner kompromitterer den strukturelle integritet af aluminiumsdelene og kan føre til svagere materialer, der er mere tilbøjelige til at fejle.

Behovet for bedre aluminium 3D‑printning

Meget mere ekstreme temperaturer

Ved traditionel støbning af aluminium ligger temperaturerne for den flydende metal mellem 690 °C og 725 °C (1274 °F – 1337 °F), og størkningsafkølingshastighederne er typisk mellem 0,4 °C/s og 10 °C/s.

I modsætning hertil bruger additiv fremstilling (3D‑printning) af metaller laser‑pulverbedsfusion, hvor metalpulver deponeres og derefter smeltes af en laser (følg linket for at se det i video).

Dette genererer temperaturer for den flydende metal på over 3000 °C (5430 °F), forbi metalets kogepunkt i stedet for blot at smelte det, samt ultrahurtige størkningsafkølingshastigheder på over 1 million °C/s.

Disse højere temperaturer og meget højere afkølingshastigheder forstørrer problemet med størkningsrevner.

“Højstyrke aluminiumlegeringer er næsten umulige at printe. De har en tendens til at udvikle revner, som gør dem ubrugelige.”
Fan Zhang – NIST fysiker

Løfterne ved 3D‑printet aluminium

På trods af de tekniske vanskeligheder er 3D‑printning af aluminium meget lovende, da den kan skabe former og dele, som andre smedeteknikker ikke kan fremstille.

For eksempel fremstilles dele af raketmotorer eller brændstofdyser til flymotorer nu ofte med 3D‑printning, hvilket samler op til 20 dele, der krævede samling, til kun én og reducerer vægten.

I 2017 opdagede et team fra HRL Laboratories (som bidrog til den her diskuterede forskning), at tilsætning af zirconium til aluminiumspulveret forhindrede de 3D‑printede dele i at revne, hvilket resulterede i en stærk legering.

Kilde: Journal of Alloys and Compounds

Hvorfor dette virker var dog stadig stort set uforstået, indtil mærkelige strukturer blev observeret i den atomare metalstruktur.

“For at kunne have tillid til dette nye metal nok til at bruge det i kritiske komponenter som militære flydele, har vi brug for en dyb forståelse af, hvordan atomerne passer sammen.”
Fan Zhang – NIST fysiker

Findning og fremstilling af kvasi‑krystaller

Forskerne måtte bruge et elektronstrålemikroskop til at analysere materialet ved den mindst mulige billedopløsning. Det afslørede, at atomerne var arrangeret i nye, mærkelige mønstre med femfold, tredobbelt og todobbelt rotationssymmetri, som ikke kunne skyldes de krystaller, der normalt findes i aluminiumlegeringer.

“Det var da, jeg begyndte at blive begejstret. Fordi jeg tænkte, at jeg måske kiggede på en kvasi‑krystal.”
Andrew Iams, materialeforskningsingeniør ved NIST

Udover områderne med fine korn af aluminium‑zirkoniumlegering observerede forskerne ikosaedriske kvasi‑krystaller i form af en 20‑sidet terning.

Kilde: Math Stack Exchange

Dette bryder den normale krystalstruktur, hvilket reducerer potentialet for revnedannelse. Så kvasi‑krystaller forstyrrer det regelmæssige mønster i aluminiumskrystallerne, hvilket skaber defekter, der gør metallet stærkere.

Kilde: Journal of Alloys and Compounds

Computersimulering gav derefter indsigt i dannelsen af kvasi‑krystaller. Det så ud til, at der er en sekundær fase under afkølingsprocessen, som er gunstig for dannelsen af kvasi‑krystaller.

Fra kerner lavet af kvasi‑krystaller fører forgreninger af kvasi‑krystalens linjebrydningsmønstre i metallet til, at det samlet set bliver stærkere og mindre tilbøjeligt til at revne under afkøling eller mekanisk belastning.

Kilde: NIST

Fremtidige udviklinger

Denne nye type af 3D‑printet aluminiumlegering viser en hårdhed, der kan sammenlignes med den ældste AA7075, en etableret aluminiumlegering med høj korrosionsbestandighed og som i vid udstrækning anvendes i flystrukturdele.

Disse indledende tests antyder, at præcipitationshærde varmebehandling kan gøre denne legering endnu hårdere, selvom det stadig skal bevises eksperimentelt.

Det skaber også en ramme, hvor produktionen af endnu stærkere aluminium kan blive mulig. Nu hvor materialeforskere delvist kan forudsige dannelsen af kvasi‑krystaller under additiv fremstilling, kan de fokusere på at forbedre deres forekomst for at øge den mekaniske ydeevne.

Investering i 3D‑printning

3D‑printning er først nu ved at nå teknologisk modenhed samt markedskonsolidering. Dette giver investorer lidt mere gennemsigtighed end tidligere og bekræfter, at denne teknologi er langt fra en modeflugt, men er her for at blive.

Du kan investere i 3D‑printningsrelaterede virksomheder gennem mange mæglere, og du kan på dette websted finde vores anbefalinger til de bedste mæglere i USA, Canada, Australien, Storbritannien, såvel som mange andre lande.

Udover de virksomheder, der diskuteres nedenfor, kan du også finde potentielle investeringsidéer i vores artikel “Top 10 Nanotechnology Stocks”.

Hvis du ikke er interesseret i at vælge specifikke 3D‑printningsvirksomheder, kan du også kigge på ETF’er som ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) for at drage fordel af væksten i den additive fremstillingssektor som helhed.

Et innovativt eksempel

(Udover de virksomheder, der diskuteres nedenfor, kan du læse om andre i vores artikel “Top 10 Additive Manufacturing And 3D Printing Stock to Watch”)

Nano Dimension

De fleste virksomheder inden for additiv fremstilling fokuserer på metal og plast med fokus på komplekse mekaniske dele. Nano Dimension (NNDM ) fokuserer i stedet på 3D‑printet elektronik. Dette omfatter meget specialiserede teknologier som ledende eller dielektriske blæk & keramik. Disse kan for eksempel bruges til at bygge optiske eller radiokomponenter.

Dette er en af de mulige anvendelser af 3D‑printning på nanoskalering, som vi udforskede yderligere i “Nanoscale 3D Printing Looks Primed for Commercialization”.

Nano Dimension er vokset gennem en blanding af opkøb og intern F&U.

Kilde: Nano Dimensions

Denne strategi nåede et nyt højdepunkt med opkøbet af Desktop Metal annonceret i 2024  og afsluttet i 2025. Sammen vil de to virksomheder have en meget stærkere position inden for metal‑ og keramik‑3D‑printning på alle skalaer, fra elektronik til store industrielle udstyr og luftfart.

Dette skaber også stordriftsfordele ved at samle kundebasen, som inkluderer SpaceX (SPCX ), Tesla (TSLA ), GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics osv.

Endelig var de to virksomheder primært aktive i forskellige geografiske områder, med Nano Dimension i Europa og Desktop Metal i USA, hvilket muliggør synergi ved at samle deres salgsteams.

Kilde: Nano Dimension

Virksomheden hævder, at den kan reducere fremstillingssektorens økologiske fodaftryk med en reduktion på 94 % i CO₂‑emissioner, 100 % i vandforbrug, 98 % i materialeforbrug og 82 % i kemikalier. Samlet set kan vi forvente, at Nano Dimension vil fremstå som en af teknologiens ledere.

Kilde: Nano Dimensions

De fusionerede virksomheder er meget godt positioneret til at udnytte nye opdagelser inden for 3D‑printning og hvordan man laver en stærkere aluminiumlegering, hvor disse innovationer sandsynligvis vil udvide det adresserbare marked.

Investorer skal dog være opmærksomme på, at både Nano Dimension ved opkøbet og Desktop Metal ved opkøbet havde negativt cash‑flow, så den samlede virksomhed vil skulle reducere omkostninger eller vokse tilstrækkeligt for at opnå profit i fremtiden.

Seneste om Nano Dimension

Studier refereret:

^{1. Andrew D. Iamset al. (2025). Hurtig fremstilling af høj‑permittiv dielektrisk elastomer aktuatortråde. Journal of Alloys and Compounds. Bind 1025, 25 april 2025, 180281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281}