Nieuwe titaniumlegering maakt 3D-printen sterker en goedkoper

Ingenieurs van het Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) hebben een nieuw productieproces onthuld voor 3D-geprint titanium. Het vernieuwde ontwerp vervangt dure ingrediënten, verbetert de duurzaamheid en verlaagt de productiekosten en -tijd. Ontdek hoe deze verbeterde titaniumlegering de potentie heeft om verschillende industrieën te revolutioneren en tegelijkertijd innovatieve nieuwe composietontwerpen te inspireren.

3D-geprinte titaniumlegeringen

De mogelijkheid om titaniumlegeringen in 3D te printen bestaat pas ongeveer tien jaar en blijft zich elk jaar verder ontwikkelen. Er zijn vele redenen waarom wetenschappers titaniumlegeringen blijven beschouwen als een ideaal 3D-printmateriaal. Ten eerste bieden ze een uitzonderlijke sterkte-gewichtsverhouding. Bovendien is het materiaal corrosiebestendig, wat bijdraagt aan de toepassing ervan in medische en andere hightech, bedrijfskritische apparaten.

Recente ontwikkelingen hebben de interesse in 3D-geprinte titaniumlegeringen verder aangewakkerd. De ontwikkeling van herhaalbare titaniumroosterstructuren heeft bijgedragen aan de stabiliteit van deze prints, waardoor ze in meer toepassingen kunnen worden gebruikt. De meest voorkomende manier om titaniumlegeringen te printen is met behulp van Laser Powder Bed Fusion (LPBF) of Directed Energy Deposition (DED)-technieken.

Ti-6Al-4V begrijpen: de industriestandaardlegering

Hoewel er veel soorten titaniumlegeringen bestaan, is titanium grade 5 (Ti-6Al-4V) de meest populaire en gevestigde. Deze titaniumlegering biedt duurzaamheid, sterkte en een lage dichtheid voor prints. Bovendien maakt de veelzijdigheid het mogelijk om het in een breed scala aan toepassingen te gebruiken, waaronder als een belangrijk onderdeel in geavanceerde lucht- en ruimtevaart- en automobieltoepassingen.

Problemen met 3D-printen van titaniumlegeringen

Hoewel Titanium Grade 5 populair is, is het niet perfect. De tekortkomingen zijn onder meer een ingewikkeld productieproces dat onderhevig is aan oxidatie, wat resulteert in fouten in de print. Om dit te voorkomen, kunnen deze apparaten alleen in een inerte gasomgeving werken. Elk van deze vereisten draagt ​​bij aan de totale kosten van het 3D-printen van titanium.

Waarom microstructuurcontrole belangrijk is bij het printen van titanium

Een van de grootste beperkende factoren bij de huidige aanpak van 3D-printen van titanium is het beheersen van de microstructurele overgangen die optreden tijdens het stollingsproces. Dit staat bekend als de kolom-naar-equiaxiaal-overgang (CET) en is een cruciaal onderdeel dat beheerd moet worden om hoogwaardige prints van titaniumlegeringen te produceren.

Tot op heden was het voor onderzoekers extreem moeilijk om nauwkeurige controle over de CET te krijgen. De gegevens tonen aan dat deze materialen tijdens het afkoelingsproces de neiging hebben om kolomvormige microstructuren te creëren. Helaas verstoren deze structuren de integriteit van de prints, wat resulteert in ongelijkmatige mechanische eigenschappen en een verminderde duurzaamheid.

3D-geprinte titaniumlegeringstudie

Gelukkig zouden deze problemen tot het verleden kunnen behoren. Een team van wetenschappers van het Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) heeft zojuist ontdekt hoe ze het volledige potentieel van 3D-geprinte titaniumlegeringen kunnen benutten.

Hun studie¹'Samenstellingscriteria voor het voorspellen van kolomvormige naar equiaxiale overgangen in additieve metaalproductie”, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications, legt uit hoe ze erin slaagden de vorming van kolomvormige microstructuren te omzeilen met behulp van nieuwe materiaalmengsels.

Bron - RMIT University

Het team verving vanadium met name door een gepatenteerd ingrediënt om een ​​hoogwaardige print te verkrijgen. De wetenschapper merkte op dat vanadium duur en moeilijk te verwerken is vanwege verschillende factoren. Omdat ze de noodzaak van toegankelijkheid erkenden, besloten ze het te vervangen door direct beschikbare opties. Zo hoefden fabrikanten in de toekomst niet lang te zoeken naar de materialen die nodig zijn om krachtige titanium 3D-prints te maken.

Het oplossen van de microstructuuruitdaging

Een van de belangrijkste doelen van de studie was om te bewijzen dat ingenieurs titanium onderdelen met equiaxiale microstructuren konden modelleren en 3D-printen. Deze ontwerpen zouden herhaalbare en gelijke mechanische eigenschappen bieden, waardoor ze ideaal zijn voor gebruik in precisiecomponenten.

Belangrijkste parameters voor legeringssamenstelling

De ingenieurs hebben de fasen van de 3D-titaniumlegeringsprintmethode opgesplitst om een beter begrip van het hele proces te krijgen. De eerste stap is het bepalen van het niet-evenwichtsstollingsbereik. Dit bereik is ideaal om ervoor te zorgen dat de prints gelijkmatig en glad zijn.

De volgende stap was het bepalen van de groeirestrictiefactor. Tot slot vormen de superkoelingsparameters de laatste stap in het proces. Voor deze stap berekende het team de relevante parameters met behulp van stollingssimulaties. Deze software stelde hen in staat om verschillende composieten te testen en de stolling te monitoren om de beste resultaten te bepalen.

Onderzoekstest en resultaten van nieuwe titaniumlegering

Het team ontwikkelde en testte hun legeringscomposieten in het Advanced Manufacturing Precinct van RMIT. Daar kregen ze alles wat ze nodig hadden om kolomvormige microstructuren te creëren, aan te passen en de vorming ervan te volgen, van nucleatie tot voltooiing.

Opvallend is dat het composietmateriaal is gemaakt door 99% zuivere elementpoeders te mengen en te blenden met een TURBULA-blender. Vervolgens is een TruDisk solid-state laser gebruikt om de prints te harden.

De tests van het team omvatten onder meer het maken van microscopische beelden van de titaniumlegeringen. Deze stap stelde de ingenieurs in staat ervoor te zorgen dat de nanostructuur intact bleef, lang nadat het printproces was voltooid.

Door middel van experimenten konden de wetenschappers het cruciale belang van bepaalde legeringen met een uniforme korrelstructuur afleiden. De tests leverden dan ook verbluffende resultaten op die de manier waarop wetenschappers in de toekomst over 3D-geprinte titaniumlegeringen denken, zouden kunnen veranderen.

De testfase van het experiment stelde ingenieurs in staat om te bevestigen dat hun simulaties correct waren. Het team kon nauwkeurig voorspellen hoe bepaalde materialen en ontwerpen zich tijdens de test zouden gedragen. Deze gegevens kunnen nu worden gebruikt om het productieproces verder te verfijnen en in de toekomst nog sterkere composieten te creëren.

Het team slaagde erin om met hun nieuwe aanpak hoogwaardige en uniforme korrelafdrukken te produceren. De samenstelling was sterker en duurzamer dan die van eerdere titaniumlegeringen. Bovendien bood het een gemakkelijk herhaalbaar productieproces dat uniforme korrelresultaten opleverde.

Voordelen van een onderzoek naar 3D-geprinte titaniumlegering

Zijn onderzoek toont vele voordelen aan. Ten eerste zal het werk dienen als leidraad voor toekomstige innovaties in de 3D-printsector voor titaniumlegeringen. Dit betere inzicht kan dienen als een solide raamwerk dat ingenieurs kunnen gebruiken om de korrelmorfologie van metaallegeringen te voorspellen in additieve productieprocessen.

Hoe de nieuwe titaniumlegering uniform printen mogelijk maakt

Een van de belangrijkste voordelen van de nieuwe methode is dat deze zorgt voor gelijkmatige afdrukken. De mogelijkheid om de vorming van ongewenste nanostructuren te voorkomen, resulteert in gelijkmatige afdrukken die veel meer kunnen verdragen dan hun voorganger. De gelijkmatigheid van deze afdrukken is cruciaal bij het bespreken van hun gebruik in zeer gevoelige toepassingen, zoals componenten voor de lucht- en ruimtevaart.

Verbeterde toegankelijkheid van titanium 3D-printen

Door vanadium te vervangen, maakt het team 3D-printen met titaniumlegeringen toegankelijk voor meer gebruikers. Vanadium is een harde, zilverachtige stof die zeer zeldzaam is in de natuur. De kneedbaarheid en het vermogen om oxidatie te weerstaan, hebben het tot een populaire keuze gemaakt. De schaarste maakt het echter moeilijk verkrijgbaar en niet realistisch voor grootschalige toepassingen.

Ingenieurs ontdekten dat ze door vanadium uit de vergelijking te schrappen, de productiekosten met 29% konden verlagen ten opzichte van traditionele titaniumopties. Deze studie zou daarom de deur kunnen openen voor meer fabrikanten om deze baanbrekende techniek in de komende jaren te gebruiken.

Aanpasbare en efficiënte productie met nieuwe legering

Met behulp van de nieuwe titaniumlegeringcomposieten kunnen ingenieurs volledig aanpasbare componenten creëren die geschikt zijn voor gebruik in de lucht- en ruimtevaart en medische toepassingen. Deze op maat gemaakte productie is veel minder verspillend dan eerdere methoden en biedt meer flexibiliteit in ontwerp en gewicht-sterkteverhouding.

Toepassingen in de echte wereld

Er zijn verschillende praktische toepassingen voor deze studie. Ten eerste zijn fabrikanten op zoek naar een goedkope aanpak waarmee ze hoogwaardige componenten kunnen creëren. De inspanningen van het team zullen ervoor zorgen dat titaniumlegeringscomposieten in diverse industrieën gebruikt kunnen worden. Hier zijn enkele van de voor de hand liggende toepassingen voor deze technologie in de toekomst.

Toepassingen in de lucht- en ruimtevaarttechniek

Titaniumlegeringen zijn een cruciaal onderdeel van de lucht- en ruimtevaarttechnologie. Elke gram kan een verschil maken bij het ontwerpen van ruimtevaartproducten. De industrie zou dit materiaal dan ook kunnen gebruiken om essentiële componenten zoals ruimtevaartmotoren en structurele onderdelen lichter en duurzamer te maken.

medische toepassingen

Er is een lange lijst met toepassingen voor deze legering in de medische sector. Deze apparaten bieden uitzonderlijke biocompatibiliteit, wat betekent dat ze geïmplanteerd kunnen worden zonder dat uw lichaam ze afstoot. Bovendien zijn ze zeer sterk, licht van gewicht en corrosiebestendig. De verbeterde titaniumlegering zou daarom implantaten, protheses, wearables en het productieproces van andere levensreddende biocompatibele apparaten kunnen verbeteren.

Toepassingen in de auto-industrie

De auto-industrie is altijd op zoek naar een beter productieproces. Je zou kunnen verwachten dat deze technologie een cruciale rol gaat spelen bij de productie van lichtgewicht, hoogwaardige elektrische motoronderdelen en meer. De mogelijkheid om deze onderdelen in 3D te printen, zou in de niet al te verre toekomst kunnen leiden tot een dag waarop je de bouwtekeningen voor je vervangende onderdelen per e-mail kunt ontvangen en thuis kunt printen.

Verwachte tijdlijn en commercialisering

De tijdlijn voor de toepassing van deze technologie bedraagt ongeveer 5-10 jaar. Er zijn nog veel details die de ingenieurs moeten uitwerken om het concept van een kleine test naar grootschalige productie te brengen. In de nabije toekomst zal het team zich richten op het vinden van samenwerkingspartners om de technologie verder te ontwikkelen.

De ingenieurs gaan nu aan de slag om hun gepatenteerde titaniumprintmethode op de markt te brengen. Als onderdeel van deze strategie heeft de groep al een voorlopig patent aangevraagd. Nu gaan ze op zoek naar commerciële productiepartners voor toekomstig onderzoek en het opzetten van productiefaciliteiten.

Onderzoekers bestuderen 3D-geprinte titaniumlegering

De School of Engineering, Centre for Additive Manufacturing, RMIT University in Melbourne, Victoria, Australië, organiseerde deze baanbrekende studie. De hoofdauteur van het werk was Ryan Brooke. Indrukwekkend genoeg heeft hij onlangs een Research Translation Fellowship aan de universiteit aanvaard. In het artikel worden ook Duyao Zhang, Dong Qiu, Mark A. Gibson en Mark Easton als bijdragers genoemd.

Investeren in de 3D-printmetaalsector

De mogelijkheid om metalen in 3D te printen heeft de deur geopend voor nieuwe golven in technologische vooruitgang. Verschillende bedrijven zijn actief in deze sector, waarvan velen miljoenen investeren in R&D, op zoek naar nieuwe en efficiëntere printmethoden. Hier is één bedrijf dat wordt gezien als een innovator in de markt.

Nano Dimension Ltd. (NNDM)

Nano Dimensie Ltd (NNDM -5.59%) betrad de markt in 2012. De oprichters van het bedrijf, Amit Dror, Sharon Fima en Simon Fried, richtten het bedrijf op om de productie van PCB-printplaten te verbeteren met behulp van geavanceerde 3D-printoplossingen. Hun aanpak bleek succesvol en in 2020 bracht het bedrijf de eerste meerlaagse PCB-printer op de markt.

Nano Dimension Ltd biedt tegenwoordig een breed scala aan producten waarmee bedrijven hun technologische voorsprong in het productieproces kunnen behouden. Het DragonFly IV-systeem verbetert de printsnelheid door middel van inkjetdepositie van geleidende en diëlektrische materialen. Deze aanpak maakt snellere prototyping en lagere kosten mogelijk.

De FLIGHT-softwaresuite is een andere populaire optie die het werken met complexe structuren vereenvoudigt. Het stelt ontwerpers in staat om complexe ontwerpen te maken en tegelijkertijd hun materiaalgebruik te optimaliseren. In combinatie met de aangeboden micro-3D-printsystemen stelt het fabrikanten in staat om hun prints op micronniveau te ontwikkelen en te monitoren.

Laatste nieuws en ontwikkelingen over Nano Dimension Ltd. (NNDM) aandelen

Conclusie: RMIT's doorbraak in titaniumlegering

De mogelijkheid om metalen in 3D te printen wordt gezien als een enorme sprong voorwaarts in de mogelijkheden voor additieve productie. Er is dan ook een gestage toestroom van innovatieve metaalcomposieten, speciaal ontwikkeld om de best mogelijke resultaten te behalen met 3D-printen. Deze nieuwste ontwikkeling zal deze technologie nog verder ontwikkelen en ingenieurs in staat stellen om geavanceerdere ontwerpen te maken die toekomstige technologieën ondersteunen.

Ontdek andere interessante ontwikkelingen op het gebied van additieve productie hier.

Geraadpleegde studies:

^{1. Brooke, R., Zhang, D., Qiu, D. et al. Compositionele criteria om kolomvormige naar equiaxiale overgangen in de metaaladditieve productie te voorspellen. Nat Commun 16, 5710 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60162-0}