AI‑ontworpen 3D‑geprint staal: Ultra‑sterk & roestvrij

Staal is een van de belangrijkste materialen van de moderne beschaving. De duurzaamheid, ductiliteit en hoge sterkte maken het essentieel in bijna elk aspect van ons leven: productie, transport, bouw en energie.

Interessant genoeg is staal volledig recyclebaar, zonder verlies van kwaliteit, sterkte of structurele integriteit, waardoor het cruciaal is voor duurzame economische ontwikkeling.

In 2025 produceerde de wereld in totaal 1,849.4 Mt (miljoen ton) ruwe staal, een daling ten opzichte van 1,882.6 Mt het voorgaande jaar. Gegevens tonen dat China de grootste staalproducent is, gevolgd door India en de VS.

Met miljoenen werknemers wereldwijd is de staalindustrie een belangrijke economische motor.

Maar wat is het precies? Staal is een legering, een mengsel van twee of meer elementen. Concreet bestaat staal uit het metalen element ijzer (Fe) en kleine hoeveelheden niet‑metaalisch koolstof (C) evenals enkele extra elementen, zoals mangaan (Mn), fosfor (P), zwavel (S), silicium (Si), zuurstof (O), chroom (Cr) of nikkel (Ni) om de sterkte, taaiheid en corrosiebestendigheid van het materiaal te verbeteren.

Er bestaat dus niet slechts één type staal; er zijn honderden verschillende staalsoorten met uiteenlopende chemische en fysieke eigenschappen.

Wat betreft de productie van staal worden meestal de hoogovens‑basisch‑zuurstofoven (BF‑BOF) en elektrische boogoven (EAF) methoden gebruikt. Het belangrijkste verschil tussen beide ligt in het type grondstoffen dat ze verbruiken.

De BF‑BOF‑methode maakt voornamelijk gebruik van ijzererts, kolen en gerecycled staal, terwijl de EAF‑methode voornamelijk gerecycled staal en elektriciteit gebruikt.

Hoewel de staalindustrie de afgelopen decennia aanzienlijke inspanningen heeft geleverd om de milieubelasting te verminderen, blijft de dominante methode voor de productie van staal uit ijzererts afhankelijk van fossiele brandstoffen als reductiemiddelen. Maar de invoering van nieuwe technologieën in pilot‑ en commerciële faciliteiten helpt de verschuiving naar koolstofarme staalproductie te bewerkstelligen.

Bovendien werken wetenschappers voortdurend aan het creëren van milieuvriendelijker staal met veel betere eigenschappen dan het huidige staal.

Zo is er supersterk staal, vaak geclassificeerd als Advanced High‑Strength Steel (AHSS) of Ultra‑High‑Strength Steel (UHSS), dat een vloeigrens heeft van meer dan 550‑1000 MPa. Onderzoek naar dit type staal wordt gedreven door de behoefte aan lichtere, veiligere en duurzamere materialen voor sectoren die de efficiëntie willen verbeteren en de CO₂‑voetafdruk willen verkleinen.

Om dit soort staal te realiseren, manipuleren wetenschappers doorgaans de nanoschaalstructuur van de legering.

Ongeveer een decennium geleden vond een team van de Pohang University of Science and Technology een staallegering uit¹ die dezelfde sterkte‑gewichtsverhouding had als titanium, een supersterk metaal dat wordt gebruikt voor raketten, straalmotoren, ruimtevaartuigen en medische implantaten, maar tegen een tiende van de kosten.

Enkele jaren later ontwikkelden wetenschappers van Lawrence Berkeley National Labs en de University of Hong Kong een superstaal door “delaminatieversteviging te activeren in combinatie met transformatie‑geïnduceerde plasticiteit.”

Wetenschappers werken ook aan roestvrij staal, dat kan helpen structurele falen te voorkomen en duurzaamheid te waarborgen in vochtige omgevingen.

Dat komt omdat staal zeer gevoelig is voor roest. Wanneer het wordt blootgesteld aan vocht en zuurstof, keert het terug naar zijn oorspronkelijke vorm, namelijk ijzeroxide. Verschillende beschermende coatings, zoals verf of zinkgalvanisatie, worden gebruikt om dit probleem te verhelpen. Chroom en nikkel worden ook gebruikt om roestvrij staal te maken, dat veel beter bestand is tegen corrosie, hoewel het onder specifieke, zware omstandigheden nog steeds kan roesten.

Wetenschappers hebben nu een nieuwe legering ontwikkeld met behulp van kunstmatige intelligentie (AI) die niet alleen de sterkte van het metaal met 30 % verhoogde, maar ook de ductiliteit verdubbelde en het roestvrij maakte. Bovendien kan dit superstaal 3D‑geprint worden.

Additieve fabricage als een game‑changer voor staalinnovatie

Additieve fabricage (AM), vaak 3D‑printen genoemd, heeft de afgelopen tien jaar brede acceptatie gekregen. Het is geëvolueerd van een niche‑prototypingtool tot een mainstream productiemethode, actief gebruikt voor mission‑critical onderdelen in de lucht‑ en ruimtevaart, automotive en medische sectoren.

In dit proces wordt een 3D‑object opgebouwd door materiaal laag voor laag toe te voegen op basis van een digitaal model. Het maakt gebruik van diverse materialen, waaronder kunststoffen, polymeren en metalen.

Voor onderzoekers en bedrijven is het grootste voordeel van 3D‑printtechnologie snelheid. Snelle prototyping verlaagt kosten, versnelt ontwikkelingscycli en maakt iteratie mogelijk.

Bovendien is 3D‑printen het meest kosteneffectieve productieproces voor kleine series, waardoor dure machines en ervaren technici overbodig worden. Er is ook veel minder afvalmateriaal omdat het onderdeel vanaf nul wordt opgebouwd.

Daarnaast biedt het de flexibiliteit om unieke, complexe en op maat gemaakte onderdelen uit meerdere materialen te creëren. Tegelijkertijd zorgt de stap‑voor‑stap assemblage van onderdelen in 3D‑printen voor consistentie en hogere kwaliteit.

Duurzaamheid is nog een groot voordeel van 3D‑printen. Men kan het volledige product zelf ontwikkelen, waardoor de behoefte aan uitbesteding wordt verminderd.

Voor staalproducenten vermindert deze productietechniek de ontwikkelingstijd en materiaalverspilling aanzienlijk, terwijl ze in‑house experimenten en prototypetests sneller kunnen uitvoeren. Het stelt ingenieurs ook in staat om snel nieuwe legeringssamenstellingen te valideren, prestaties te optimaliseren en van ontwerp naar productie te gaan zonder dure traditionele gereedschappen of uitbestede fabricage.

In vergelijking met traditionele productietechnologieën, AM heeft speciale kenmerken², zoals laag‑voor‑laag accumulatie, materiaalkoppelingen, hoge afkoelsnelheden en cyclisch verwarmen. Deze eigenschappen leiden tot een unieke microstructuur, inclusief fijne korrels, hoogdichte dislocaties, een metaal‑celstructuur en een fase‑samenstelling, die opmerkelijke mechanische eigenschappen aan ultra‑hoge‑sterkte staal geven.

Wat betreft het 3D‑printen van ultra‑hoge‑sterkte en ductiel staal (UHSDS), dat uitzonderlijke mechanische eigenschappen heeft, heeft het grote toepasbaarheid getoond in sectoren zoals lucht‑ en ruimtevaart, automotive productie en maritiem transport.

Maar zoals de nieuwe internationale studie opmerkte, zijn de technische toepassingen ernstig beperkt door de noodzaak van dure, hooggeconcentreerde legeringselementen zoals nikkel (Ni), kobalt (Co) of molybdeen (Mo), en complexe warmtebehandelingen, terwijl de corrosiebestendigheid slecht is.

Machine learning biedt een oplossing voor deze beperking. In 2020 toonden wetenschappers van de Amerikaanse luchtmacht en Texas A&M University het potentieel van 3D‑printen van ultra‑sterk staal³ aan door een laser te gebruiken om staalpoeder te smelten. Ze gebruikten het Eagar‑Tsai‑model om de laserinstellingen te optimaliseren en printfouten te verminderen. De geprinte monsters vertoonden treksterktes tot 1,4 GPa, het hoogste tot nu toe gerapporteerde voor een 3D‑geprintte legering, wat aantoont dat procesoptimalisatie alleen al de materiaaleigenschappen aanzienlijk kan verbeteren.

Het optimaliseren van hoog‑presterende staalcomposities en verwerkingsparameters met behulp van ML maakt gebruik van verschillende modelleringsbenaderingen, zoals het compositie‑verwerking‑eigenschappen (CPP) model. Het CPP‑ML‑model stelt echter hoge eisen aan de kwaliteit van datasets, wat het CPIP‑ML‑model verzacht door tussenliggende variabelen te integreren die zijn afgeleid van fysische metallurgiemodellen (PM), CALPHAD en fysisch‑chemische kenmerk (PF) screening.

Zoals de nieuwste studie aangeeft, vormt de multi‑component complexiteit van UHSDS een uitdaging voor zowel PM‑gebaseerde ML als CALPHAD‑gecombineerde ML‑optimalisatie. Daarom wendden de onderzoekers van de University of South China en Purdue University zich tot de PF‑ML‑strategie om UHSDS kosteneffectief te ontwikkelen.

3D‑printen van een super‑sterk staal dat nooit roest

Gepubliceerd in het International Journal of Extreme Manufacturing⁴ hebben de onderzoekers een “interpreteerbaar machine‑learning” model ontwikkeld dat specifiek werkt met 81 fysisch‑chemische kenmerken van de elementen.

In plaats van de AI willekeurige combinaties te laten raden, liet het team specifieke kenmerken analyseren, zoals atomaire radius en elektronengedrag, om een legering te creëren die ultra‑sterk, roestvrij en 3D‑printbaar is.

Het materiaal werd eigenlijk specifiek voor het 3D‑printproces ontwikkeld door het model ook te laten analyseren hoe de legering erop zou reageren.

“Deze strategie heeft het ontdekkingproces drastisch versneld en de introductie van een goedkope, korte‑processtrategie mogelijk gemaakt voor het additief vervaardigen van UHSDS met uitzonderlijke corrosiebestendigheid, waardoor kritieke beperkingen van huidige additief vervaardigde staalsoorten worden overwonnen,” schreven de auteurs van de studie.

Om een ultra‑hoge‑sterkte en ductiel staal (UHSDS) te creëren, begon het team met het screenen van kenmerken om te identificeren welke sleutelkenmerken de uiteindelijke treksterkte (UTS), vloeigrens (YS) en rek (EL) van het materiaal beïnvloeden.

Vervolgens gebruikten ze het interpreteerbare Shapley additive explanation (SHAP) algoritme, gebaseerd op speltheorie, om de expliciete regels te identificeren die de effecten van elementen op deze eigenschappen bepalen. Daarna werden de evaluatiecriteria en analyse‑resultaten gecombineerd om legeringselementen te identificeren die zowel sterkte als ductiliteit kunnen verbeteren.

Ten slotte gebruikte het team NSGA‑III (Non‑dominated Sorting Genetic Algorithm) om de elementinhoud en warmtebehandelingsparameters te optimaliseren. Er werd vervolgens een nieuw, kosteneffectief UHSDS ontworpen met een eenvoudige enkel‑stap temperbehandeling.

Door middel van hun onderzoek heeft het team een nieuwe strategie ontwikkeld voor het additief vervaardigen van UHSDS met behulp van de PF‑ML‑methodologie, waarbij kosten worden verlaagd, het proces wordt vereenvoudigd en de prestaties worden verbeterd.

Het metaal dat door het algoritme is geproduceerd is Fe‑15Cr‑3,2Ni‑0,8Mn‑0,6Cu‑0,56Si‑0,4Al‑0,16C. Dit mengsel van ijzer en chroom, nauwkeurig gemengd met kleine hoeveelheden goedkopere elementen zoals koper, silicium en aluminium, werd door het algoritme berekend om de ideale interne structuur te vormen.

Het metaal werd 3D‑geprint met een laser‑directed energy deposition (LDED) techniek, vervolgens gebakken in een korte, enkel‑stap, zes‑uur warmtebehandeling (bij 480 °C), en toonde veelbelovende resultaten, superieur aan die gerapporteerd voor additief vervaardigde UHSDS.

De mechanische eigenschappen toonden, UTS: (1.713 ± 17) MPa, YS: (1.502 ± 33) MPa, en EL: (15.5 ± 0.7) %. Dit betekent dat het nieuw ontworpen materiaal ongeveer 1.713 megapascal (MPa) kan weerstaan, volgens het AI‑model. Deze prestatie vertegenwoordigt ongeveer een 30 % toename in de sterkte van het metaal ten opzichte van de ruwe geprinte toestand.

Het kan ook meer dan 15 % rekken voordat het breekt, wat een verdubbeling van de ductiliteit betekent.

Het testen van de legering met laser powder bed fusion (LPBF) printers toonde aan dat AI‑voorspellingen nauwkeurig zijn en exact overeenkomen met fysieke experimenten.

Bij het onderzoeken van de interne structuur van het metaal om de mechanica achter de prestaties te begrijpen, ontdekte het team dat de korte warmtebehandeling nikkel‑aluminium en koper‑nanodeeltjes creëerde die structurele defecten tegenhielden.

Wat er gebeurt, is dat wanneer fysieke spanning op het metaal wordt uitgeoefend, deze deeltjes fungeren als obstakels, waardoor de kracht die nodig is om het te breken aanzienlijk toeneemt. Tegelijkertijd fungeren kleine zakjes van een zachtere fase als schokdempers, die voorkomen dat het onder spanning breekt.

Bovendien vertoont het materiaal uitstekende corrosiebestendigheid, met een corrosiesnelheid van 0,105 mm·a⁻¹ in zeewater.

Aangezien de nieuwe legering slechts 0,105 millimeter per jaar degradeert, beter dan veel standaard commerciële roestvrijstalen, heeft het materiaal potentieel voor veel bredere toepassingen, vooral in de maritieme en lucht‑ en ruimtevaartsectoren, waar materialen vaak direct in contact komen met vocht.

De auteurs geloven dat de PF‑ML‑ontwerpstrategie een economische manier is om additieve metaalproductie te bevorderen en kan helpen sterke, op maat ontworpen, roestbestendige metalen snel te creëren.

“Dit werk zal van groot belang zijn om nieuwe inzichten te bieden in de ontwikkeling van kosteneffectieve en proces‑vereenvoudigde UHSDS, vooral voor de laserfabricage van hoog‑waarde‑toegevoegde staalcomponenten met uitstekende algehele prestaties,” stelde de studie.

Investeren in staalinnovatie

Terwijl onderzoekers deze legeringen in het laboratorium perfectioneren, schalen commerciële leiders zoals Carpenter Technology al de infrastructuur op om hoog‑presterende 3D‑geprinte poeders op de markt te brengen.

Op het gebied van geavanceerde staallegeringen valt Carpenter Technology Corporation (CRE ) op als een van de sterkste bedrijven voor de ontwikkeling van gespecialiseerde roestvrijstalen, high‑performance legeringen, titanium en nikkel‑gebaseerde legeringen. Het bedrijf ontwikkelt poederlegeringen die specifiek worden gebruikt in 3D additieve fabricage, inclusief standaard‑ en maat‑poeders, evenals hardware voor poederbeheer.

Deze producten bedienen de lucht‑ en ruimtevaart, defensie, medische apparaten en energiesectoren, waar ultra‑hoge‑sterkte, corrosiebestendige 3D‑geprinte staalsoorten het meest waardevol zijn.

Het bedrijf opereert via de Specialty Alloys Operations (SAO) en Performance Engineered Products (PEP) segmenten.

Als we kijken naar de aandelenprestaties van Carpenter Technology, heeft het de afgelopen zes jaar een enorme opwaartse trend gekend. Eind 2020 handelde CRS onder $20, en halverwege 2024 was de aandelenprijs boven $100 gestegen. Maar deze rally stopte daar niet; de aandelenprijs bleef stijgen en bereikte deze week een recordhoogte (ATH) van $459.

Deze scherpe herwaardering werd voornamelijk gedreven door de transformatie van het bedrijf van een traditionele commodity‑staalproducent naar een hoog‑margin specialistische legeringen business, waarbij het SAO‑segment de belangrijkste winstmotor werd, aangedreven door prestaties in de lucht‑ en ruimtevaartsector.

Op het moment van schrijven handelt CRS op $423,91, een stijging van 34,64 % YTD en 122,26 % in het afgelopen jaar. Dit brengt de marktkapitalisatie van het bedrijf op $21,115 miljard. Het heeft een EPS (TTM) van 8,60 en een P/E (TTM) van 49,26. Het dividendrendement van het bedrijf is 0,19 %.

Carpenter Technology rapporteerde een stijging van 31 % YoY in operationele inkomsten tot $155,2 miljoen voor Q2 2026, eindigend op 31 december 2025.

De verwachtingen in het SAO‑segment “overschreden” met operationele inkomsten die met 29 % YoY stegen tot $174,6 miljoen, “het beste kwartaal ooit”, en leverden een aangepaste operationele marge van 33,1 % op. Opmerkelijk was een stijging van 23 % in boekingen voor commerciële lucht‑ en ruimtevaart, terwijl onderhandelingen over meerdere langetermijnafspraken werden afgerond.

“De kwartaalprestaties werden gedreven door het SAO‑segment, dat de aangepaste operationele marges bleef uitbreiden. De vraag in onze lucht‑ en ruimtevaart‑ en defensiemarkt blijft versnellen naarmate klanten vertrouwen krijgen in de toenemende bouwsnelheden.”

– Voorzitter en CEO Tony R. Thene

Voor het kwartaal bedroegen de winst per verwaterde aandeel $2,09, en de aangepaste winst per verwaterde aandeel $2,33. De netto‑omzet voor 2Q26 was $728 miljoen. Het cash‑generatie uit operationele activiteiten bedroeg ondertussen $132,2 miljoen, wat hogere winsten en verbeteringen in werkkapitaal weerspiegelt, waardoor de aangepaste vrije cash‑flow $85,9 miljoen bereikte.

Met deze sterke balans en betekenisvolle aangepaste vrije cash‑flow hanteert het bedrijf een evenwichtige aanpak van kapitaalallocatie, wat betekent dat de huidige activa worden behouden en wordt geïnvesteerd in groeinitiatieven met hoge waarde, zoals de $400 miljoen brownfield capaciteitsuitbreiding, die de smeltcapaciteit van de downstream afwerkingsactiva van het bedrijf zal vergroten en de langetermijngroei zal stimuleren.

Aan het einde van het kwartaal had het bedrijf $730,9 miljoen aan totale liquiditeit, bestaande uit $231,9 miljoen cash en $498,9 miljoen aan beschikbare leningen.

Gedurende deze periode heeft Carpenter Technology ook $32,1 miljoen besteed aan aandeleninkoop binnen een terugkoopprogramma van $400,0 miljoen.

Carpenter Technology rapporteerde bovendien een eenmalig boekhoudkundig verlies van $15,6 miljoen voor het vroegtijdig aflossen van oude schulden. Het bedrijf had senior unsecured notes die oorspronkelijk in juli 2028 en maart 2030 zouden aflopen, maar in plaats van te wachten heeft het ervoor gekozen ze vroegtijdig in te lossen.

Het bedrijf gaf ook richtlijnen vrij voor het huidige kwartaal en het fiscale jaar 2026, met een verwachting van $177 miljoen tot $182 miljoen operationele inkomsten en een stijging van 30‑33 % tot respectievelijk $680 miljoen en $700 miljoen.

Carpenter Technology is “goed gepositioneerd voor voortdurende groei voorbij het fiscale jaar 2027 met een sterke marktvraagvooruitzicht voor ons brede portfolio van gespecialiseerde oplossingen, een toenemende productiviteit, optimalisatie van productmix en prijsacties,” aldus het bedrijf.

Laatste nieuws en ontwikkelingen rond Carpenter Technology Corporation (CRE) aandelen

Conclusie

Eeuwenlang is staal op dezelfde manier geproduceerd. De methoden werden in de loop der decennia schoner en efficiënter, maar de aanpak bleef grotendeels onveranderd. Nu breken AI‑gedreven ontwerp en 3D‑printen dat patroon volledig.

Het ontwikkelen van ultra‑hoge‑sterkte staal betekende vroeger dure legeringselementen, langdurige warmtebehandelingen en uitgebreide trial‑and‑error experimenten. Maar AI‑gedreven legeringsontwerp maakt het mogelijk om sterkere, ductielere en beter corrosiebestendige staalsoorten te creëren, specifiek geoptimaliseerd voor 3D‑printen, tegen lagere kosten.

Het nieuw ontwikkelde roestvrije superstaal toont de capaciteit van machine learning om langdurige compromissen tussen de belangrijkste eigenschappen aan te pakken, terwijl productieprocessen worden vereenvoudigd. Met een 30 % toename in sterkte, dubbele ductiliteit en superieure corrosiebestendigheid biedt deze innovatie groot potentieel voor toepassingen met hoge waarde.

Klik hier om alles te leren over investeren in 3D‑print‑aandelen.

Referenties

^{1. Kim, S.-H., Kim, H. & Kim, N. J. Brokbaar intermetallisch verbinding maakt ultrastrong, lichtgewicht staal met grote ductiliteit. Nature 518, 77–79 (2015). https://doi.org/10.1038/nature14144
2. Li, K., Zhang, Y., Wang, X., Liu, H., Chen, J. & Murr, L. E. Additieve fabricage van ultra‑hoge‑sterkte staal: Een overzicht. Journal of Alloys and Compounds 2023. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.17269
3. Tang, M., Pistorius, P. C. & Beuth, J. L. Voorspelling van gebrek‑aan‑fusie porositeit voor poederbedfusie. Scripta Materialia 161, 69–72 (2019). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2018.10.024
4. Luo, Y., Zhu, T., Pan, C., Ben, X., An, X., Wang, X. & Zhu, H. Interpreteerbare machine learning geïntegreerd met fysisch‑chemische kenmerken voor de ontwikkeling van additief vervaardigd ultra‑hoge‑sterkte en ductiliteit staal. International Journal of Extreme Manufacturing 8 (2026). https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae5006}