3D-printen van industrieel hardmetaal: harder, sneller, milieuvriendelijker

De gereedschappen waarmee we onze wereld bouwen, zijn vaak onzichtbaar voor ons, maar vormen de stille ruggengraat van de moderne beschaving. Van de uiterst precieze boren waarmee we de infrastructuur van onze steden aanleggen tot de scherpe randen waarmee we de onderdelen van onze voertuigen vormgeven: het geheim van hun duurzaamheid schuilt in een materiaal dat bekend staat als... wolfraamcarbide-kobaltDit hardmetaal is een van de hardste stoffen die de mens kent, net onder diamant op de schaal van taaiheid. De enorme sterkte die het zo onmisbaar maakt, zorgt er echter ook voor dat de productie ervan berucht moeilijk en inefficiënt is.

Een studie¹ Onderzoekers van de Universiteit van Hiroshima hebben in samenwerking met Mitsubishi Materials Hardmetal Corporation onlangs een nieuwe weg ingeslagen. Door additive manufacturing – beter bekend als 3D-printen – te combineren met een gespecialiseerde gloeidraadlasermethode, hebben ze een manier gevonden om industriële componenten te produceren die net zo sterk zijn als componenten die met traditionele methoden zijn gemaakt, maar met aanzienlijk minder afval. Deze ontwikkeling is niet alleen een winstpunt voor de fabrieksvloer; het biedt een blik op een toekomst waarin hoogwaardige materialen toegankelijk, duurzaam en aanpasbaar zijn.

Waarom wolframcarbide moeilijk te 3D-printen is

Traditioneel gezien is het maken van onderdelen van wolframcarbide-kobalt een zwaar en kostbaar proces. Het berust op poedermetallurgie, waarbij metaalpoeders onder enorme druk worden samengeperst en vervolgens in een oven worden verhit totdat ze aan elkaar hechten, een proces dat sinteren wordt genoemd. Hoewel dit ongelooflijk harde gereedschappen oplevert, is het een rigide proces. Het creëren van complexe of grote vormen is moeilijk, en een groot deel van de dure grondstoffen – wolfram en kobalt – gaat verloren tijdens het proces.

De hoge kosten van deze grondstoffen vormen een grote hindernis. Wolfraam is zeldzaam en duur, en kobalt is een kritiek mineraal met een onstabiele toeleveringsketen. In een tijdperk waarin duurzaamheid en efficiënt gebruik van grondstoffen van het grootste belang zijn, worden de oude methoden van subtractieve productie – waarbij je begint met een blok materiaal en het overtollige materiaal wegsnijdt – steeds vaker als achterhaald beschouwd.

Hoe de gloeidraadlasermethode 3D-printen van wolframcarbide mogelijk maakt

De innovatie van het team van de Universiteit van Hiroshima schuilt in een subtiele maar ingrijpende verandering in onze kijk op 3D-printen van metaal. De meeste 3D-printers voor metaal werken door metaalpoeder of -draad volledig te smelten met een laser met hoge energie. Wanneer je dit echter probeert te doen met wolframcarbide, zorgt de extreme hitte ervoor dat het materiaal ontleedt in W2C en grafiet, wat leidt tot kleine gaatjes, scheuren en een verlies van de hardheid die het juist zo waardevol maakt.

In plaats van de eigenschappen van het materiaal te bestrijden, gebruikten de onderzoekers een gloeidraadlasermethode. Bij deze opstelling wordt een hardmetalen staaf voorverwarmd met een elektrische stroom tot bijna het smeltpunt, nog voordat deze de laser bereikt. De laser levert vervolgens net genoeg extra warmte om het materiaal te verzachten, waardoor het laagje voor laagje kan worden aangebracht.

Door het materiaal te verzachten in plaats van het volledig te smelten, slaagde het team erin de delicate microstructuur van het wolframcarbide te behouden. Ze ontdekten dat door de temperatuur boven het smeltpunt van het kobaltbindmiddel te houden, maar onder de drempel waarbij het wolframcarbide begint af te breken, ze een solide, defectvrij object konden produceren met een hardheid van meer dan 1400 HV – een kwaliteit die overeenkomt met die van traditionele industriële gereedschappen.

Het oplossen van fabricagefouten bij additieve productie van WC-Co-carbide

Een van de slimste aspecten van het onderzoek was hoe het team omging met de interactie tussen het ultraharde carbide en het basismateriaal waarop het werd geprint. Toen ze probeerden rechtstreeks op een standaard ijzeren ondergrond te printen, drong het ijzer vaak door in het carbide, waardoor de sterkte ervan afnam.

De oplossing was de introductie van een tussenlaag van een nikkellegering. Deze laag fungeert als buffer en voorkomt dat het basismateriaal het hardmetaal verontreinigt, waardoor het eindproduct zuiver en sterk blijft. Deze multi-materiaalbenadering is een belangrijke trend in 3D-printen, waardoor ingenieurs het dure, hoogwaardige materiaal alleen kunnen gebruiken waar het echt nodig is – zoals de snijkant van een gereedschap – en goedkopere materialen voor de rest van het object kunnen gebruiken.

Waarom 3D-printen van wolframcarbide de maakindustrie kan transformeren

De mogelijkheden van deze technologie reiken veel verder dan het laboratorium. Naarmate deze methoden worden verfijnd om complexere vormen te verwerken en de resterende problemen met scheuren te elimineren, zullen de implicaties voor onze wereld enorm zijn.

• Industriële veerkracht op aanvraag: Stel je een wereld voor waarin een afgelegen mijnlocatie of een bouwproject niet weken hoeft te wachten op een vervangend onderdeel dat vanuit een centraal magazijn wordt verzonden. Dankzij geavanceerde 3D-printtechnologie kunnen cruciale, ultrasterke componenten ter plaatse worden geproduceerd, precies wanneer ze nodig zijn.
• Duurzaamheid en grondstoffenzekerheid: Door alleen de exacte hoeveelheid wolfraam en kobalt te gebruiken die nodig is voor een specifiek onderdeel, kunnen we onze afhankelijkheid van mijnbouw drastisch verminderen en industrieel afval minimaliseren. Dit is een cruciale stap richting een circulaire economie waarin materialen zo efficiënt mogelijk worden gebruikt.
• Ontwerp van de volgende generatie: Traditionele productiemethoden beperken wat we kunnen bouwen. 3D-printen heft die beperkingen op en maakt het mogelijk om gereedschappen te creëren met interne koelkanalen, complexe geometrieën en geoptimaliseerde gewichten die voorheen onmogelijk te produceren waren. Dit leidt tot efficiëntere machines, lichtere voertuigen en een duurzamere infrastructuur.

Investeren in industriële 3D-printing en geavanceerde materialen

Naarmate de industriële sector overgaat op slimmere en efficiëntere productieprocessen, zijn de bedrijven die de hardware en materialen voor deze transitie leveren, goed gepositioneerd voor aanzienlijke groei. Voor investeerders die willen profiteren van de vooruitgang in 3D-metaalprinten en hoogwaardige materialen, springt één bedrijf eruit als een belangrijke speler in deze sector.

In de schijnwerpers: Nano Dimension (NNDM )

Terwijl veel 3D-printbedrijven zich richten op consumentenplastic of eenvoudige metalen, heeft Nano Dimension zich gepositioneerd als leider in het hoogwaardige, industriële segment van de markt. Het bedrijf heeft onlangs een grote strategische verschuiving doorgemaakt. Desktop Metal aanschaffeneen pionier op het gebied van metaalbindmiddeljets en geavanceerde materiaalafzetting.

Deze overname heeft Nano Dimension getransformeerd tot een totaalleverancier voor industriële additive manufacturing. De technologie van Desktop Metal wordt al gebruikt door onderzoekers en fabrikanten om de toepassingen van gecementeerd hardmetaal te onderzoeken die in het onderzoek van de Universiteit van Hiroshima aan bod komen. Door hun expertise in 3D-printen van elektronica te combineren met de robuuste metalen platforms van Desktop Metal, bouwt Nano Dimension een totaaloplossing die alles omvat, van snelle prototyping tot massaproductie.

Financieel gezien heeft het bedrijf de afgelopen tijd een indrukwekkende groei laten zien. rapportage een omzetstijging van 81 procent op jaarbasis. Hoewel de industrie zich nog steeds in een fase van sterke groei en hoge investeringen bevindt, maken Nano Dimensions enorme patentportfolio en de focus op cruciale sectoren zoals de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie en defensie het een aantrekkelijke keuze voor wie wil investeren in de toekomst van de maakindustrie. Naarmate technologieën zoals de soft-melting hot-wire-methode van het laboratorium naar de productielijn worden gebracht, zullen bedrijven met de infrastructuur om deze geavanceerde processen te ondersteunen de bedrijven zijn om in de gaten te houden.

Laatste Nano Dimension (NNDM) aandelennieuws en ontwikkelingen

Referenties:

^{1. Marumoto, K., Abe, T., Nagamori, K., Ichikawa, H., Nishiyama, A., & Yamamoto, M. (2026). Effect van de hot-wire laserbestralingsmethode en een Ni-gebaseerde legeringsmiddenlaag op de mechanische eigenschappen en microstructuur bij de additieve productie van WC-Co gecementeerd hardmetaal. Internationaal tijdschrift voor refractaire metalen en harde materialen, 136, Artikel 107624. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2025.107624}