Additieve productie
Hoe Quasicrystallen Aerospace-Grade 3D-geprinte Aluminium Versterken
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Van Theorie Naar Praktijk
Soms wordt de Nobelprijs toegekend aan onderzoek dat voor het grote publiek wat abstract kan zijn. Dit was het geval voor de Nobelprijs voor Scheikunde 2011, die de ontdekking van “quasicrystallen” beloond.
Dit komt doordat veel materialen in de natuur, evenals door de mens gemaakte, zijn georganiseerd in “normale” kristallen. Wat hen definieert is een eenvoudige 3D-structuur op atomair niveau die miljoenen keren herhaalt, tot op macroniveau. Deze structuren geven de eigenschappen aan verschillende metalen, evenals andere materialen zoals het silicium dat in computerchips en zonnepanelen wordt gebruikt.
Er zijn slechts 230 mogelijke manieren waarop atomen zich kunnen organiseren in herhalende kristalpatronen, iets dat eerder werd beschouwd als een starre regel van de natuur.
Bron: Nobel Prize
Echter, bleek dat andere structuren mogelijk waren, waarbij een paar basisvormen kunnen worden samengevoegd om regelmatige moleculaire structuren te organiseren, terwijl ze geen herhalend patroon vertonen. Deze ontdekking werd gedaan door een onderzoeker die voornamelijk werkzaam is bij het National Institute of Standards and Technology (NIST).
Bron: NIST
Andrew Iams, een onderzoeker bij NIST, zou praktische toepassingen voor zulke quasicrystallen hebben gevonden, aangezien ze ontstaan tijdens het 3D-printen van aluminium. Omdat aluminium een zeer nuttig metaal is voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen, maar ook bijzonder moeilijk te 3D-printen is, kan dit een belangrijke doorbraak betekenen.
(U kunt een overzicht van de 3D-printindustrie lezen in ons artikel “3D Printing Consolidating Into The Future Of Manufacturing”).
Deze resultaten1, uitgevoerd door onderzoekers van NIST, HRL Laboratories LLC, en L.A. Giannuzzi & Associates LLC, werden gepubliceerd in het Journal of Alloys and Compounds, onder de titel “Microstructural features and metastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated using additive manufacturing”.
Waarom Zijn Kristallen Belangrijk?
Hoewel een kristallijne structuur een materiaal speciale eigenschappen kan geven, brengt het ook zwaktes met zich mee.
Aangezien de structuur extreem regelmatig is, kunnen atomen gemakkelijk langs elkaar glijden. Wanneer dit op grote schaal gebeurt, ontstaan er microfracturen of zelfs grote scheuren in het materiaal, waardoor het over het algemeen zwakker is dan theoretisch mogelijk.
Dit probleem wordt vergroot bij 3D-printen omdat het metaal in kleine hoeveelheden smelt en vervolgens vele malen afkoelt. En zowel bij 3D-printen als traditioneel smeden is aluminium bijzonder kwetsbaar voor zogenaamde solidificatiekrieten, of hot tearing.
Dit gebeurt wanneer het resterende vloeibare metaal niet kan compenseren voor de krimp van het afkoelende, al vaste metaal. Dergelijke scheuren ondermijnen de structurele integriteit van de aluminiumonderdelen, wat kan leiden tot zwakkere materialen die sneller falen.
De Noodzaak voor Betere Aluminium 3D-Printen
Veel Extremer Temperaturen
Bij traditioneel gieten van aluminium variëren de temperaturen van het vloeibare metaal tussen 690 °C en 725 °C (1274 °F – 1337 °F), en de afkoelsnelheden tijdens solidificatie liggen meestal tussen 0,4 °C/s en 10 °C/s.
Daarentegen gebruikt additive manufacturing (3D-printen) voor metalen materialen laser-powder bed fusion, waarbij metaalpoeder wordt neergelegd en vervolgens door een laser wordt gesmolten (volg de link om het in video te zien).
Dit genereert vloeibare metaaltemperaturen boven de 3000 °C (5430 °F), voorbij het kookpunt van het metaal in plaats van alleen te smelten, en ultra-snelle solidificatiekoelsnelheden die meer dan 1 miljoen °C/s bedragen.
Deze hogere temperaturen en veel hogere afkoelsnelheden vergroten het probleem van solidificatiekrieten.
“Hoge sterkte aluminiumlegeringen zijn bijna onmogelijk te printen. Ze hebben de neiging scheuren te ontwikkelen, waardoor ze onbruikbaar zijn.”
De Beloften van 3D-geprinte Aluminium
Ondanks de technische moeilijkheden is 3D-printen van aluminium zeer veelbelovend, omdat het vormen en onderdelen kan creëren die andere smeedtechnieken niet konden maken.
Zo worden bijvoorbeeld onderdelen van raketmotoren of brandstofnozzles voor vliegtuigmotoren nu vaak gemaakt met 3D-printen, waardoor tot 20 onderdelen die montage vereisten, worden samengevoegd tot één stuk en het gewicht wordt verminderd.
In 2017 ontdekte een team van HRL Laboratories (die bijdroegen aan het hier besproken onderzoek) dat het toevoegen van zirkonium aan het aluminiumpoeder de 3D-geprinte onderdelen tegen scheuren beschermde, wat resulteerde in een sterk legering.
Echter, waarom dit werkt was nog grotendeels onbegrepen totdat vreemde structuren werden waargenomen in de atomaire metaalstructuur.
“Om dit nieuwe metaal voldoende te vertrouwen om te gebruiken in kritieke componenten zoals militaire vliegtuigonderdelen, hebben we een diepgaand begrip nodig van hoe de atomen zich samenvoegen.”
Het Vinden en Maken van Quasicrystallen
De onderzoekers moesten een elektronenmicroscoop gebruiken om het materiaal te analyseren met de kleinst mogelijke beeldresolutie. Deze toonde aan dat de atomen waren gerangschikt in nieuwe, vreemde patronen met een vijfvoudige, drievoudige en tweevoudige rotatiesymmetrie die niet veroorzaakt kan worden door de kristallen die normaal in aluminiumlegeringen voorkomen.
“Dat was het moment dat ik enthousiast werd. Omdat ik dacht dat ik een quasicrystal zag.” Andrew Iams, materialenonderzoeksingenieur bij NIST
Naast de gebieden met fijne korrels van aluminium-zirkoniumlegering, observeerden de onderzoekers icosaëdrische quasicrystallen, in de vorm van een 20-zijdige dobbelsteen.
Bron: Math Stack Exchange
Dit onderbreekt de normale kristalstructuur, waardoor de kans op scheurvorming afneemt. Quasicrystallen breken dus het regelmatige patroon van de aluminiumkristallen, waardoor defecten ontstaan die het metaal sterker maken.
Computersimulaties leverden vervolgens inzicht in de vorming van de quasicrystallen. Het bleek dat er een secundaire fase is tijdens het afkoelingsproces, die bevorderlijk is voor de vorming van quasicrystallen.
Van kernen gemaakt van quasicrystal ontstaan vertakkingen van quasicrystal-structuurbreuken in het metaal, waardoor het over het algemeen sterker wordt en minder snel scheurt tijdens afkoeling of onder mechanische spanning.
Bron: NIST
Toekomstige Ontwikkelingen
Dit nieuwe type 3D-geprinte aluminiumlegering vertoont een hardheid die vergelijkbaar is met piek-geëerde AA7075, een gevestigde aluminiumlegering met hoge corrosiebestendigheid en veelvuldig gebruikt in vliegtuigstructuuronderdelen.
Deze eerste tests suggereren dat precipitatieverhardende warmtebehandeling deze legering nog harder zou kunnen maken, hoewel dit nog experimenteel moet worden bewezen.
Het creëert ook een kader waarin de productie van nog sterker aluminium mogelijk zou kunnen zijn. Nu materiaalkundigen de vorming van quasicrystallen tijdens additive manufacturing gedeeltelijk kunnen voorspellen, kunnen ze zich richten op het verbeteren van hun voorkomen om de mechanische prestaties te verhogen.
Investeren in 3D-Printen
3D-printen bereikt nu pas technologische volwassenheid, evenals marktconsolidatie. Dit geeft investeerders iets meer zichtbaarheid dan in het verleden en bevestigt dat deze technologie verre van een hype is, maar hier blijft.
U kunt investeren in bedrijven gerelateerd aan 3D-printen via vele brokers, en op deze website kunt u onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, en vele andere landen.
Naast de hieronder besproken bedrijven kunt u ook potentiële investeringsideeën vinden in ons artikel “Top 10 Nanotechnologie Aandelen”.
Als u niet geïnteresseerd bent in het selecteren van specifieke 3D-printbedrijven, kunt u ook kijken naar ETF’s zoals ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) om te profiteren van de groei van de additive manufacturing sector als geheel.
Een Innovatief Voorbeeld
(Naast de hieronder besproken bedrijven kunt u meer lezen over anderen in ons artikel “Top 10 Additive Manufacturing And 3D Printing Stock to Watch”)
Nano Dimension
NNDM Prijsgrafiek
De meeste additive manufacturing bedrijven richten zich op metaal en kunststof, met een focus op complexe mechanische onderdelen. Nano Dimension (NNDM ) richtte zich in plaats daarvan op 3D-geprinte elektronica. Dit omvat zeer gespecialiseerde technologieën zoals geleidende of diëlektrische inkten & keramiek. Deze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt voor het bouwen van optische of radio‑componenten.
Dit is een van de mogelijke toepassingen van 3D-printen op nanoschaal, die we verder onderzochten in “Nanoscale 3D Printing Looks Primed for Commercialization”.
Nano Dimension is gegroeid door een mix van overnames en interne R&D.
Bron: Nano Dimensions
Deze strategie bereikte een nieuw hoogtepunt met de overname van Desktop Metal aangekondigd in 2024 en afgerond in 2025. Samen zullen de 2 bedrijven een veel sterkere positie hebben in metaal- en keramiek‑3D‑printen op alle schalen, van elektronica tot grote industriële apparatuur en lucht‑ en ruimtevaart.
Dit creëert ook schaalvoordelen door de klantenbasis te combineren, die onder andere SpaceX (SPCX ), Tesla (TSLA ), GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics, enz. omvat.
Ten slotte waren de twee bedrijven voornamelijk actief in verschillende geografische gebieden, met Nano Dimension in Europa en Desktop Metal in de VS, waardoor synergie ontstaat door hun verkoopteams te combineren.
Bron: Nano Dimension
Het bedrijf beweert de ecologische voetafdruk van de productie te kunnen verminderen, met een reductie van 94 % in CO₂‑emissies, 100 % in water, 98 % in materialen en 82 % in chemicaliën. Over het geheel genomen kunnen we verwachten dat Nano Dimension zich zal ontwikkelen tot een van de leiders in deze technologie.
Bron: Nano Dimensions
De gefuseerde bedrijven zijn zeer goed gepositioneerd om nieuwe ontdekkingen in 3D-printen en het maken van een sterker aluminiumlegering te benutten, waarbij deze innovaties waarschijnlijk de adresseerbare markt zullen uitbreiden.
Investeerders moeten zich er echter van bewust zijn dat zowel Nano Dimension als Desktop Metal bij de overname een negatieve cashflow hadden, waardoor het resulterende bedrijf kosten moet besparen of voldoende moet groeien om in de toekomst winstgevend te worden.
Laatste Nieuws over Nano Dimension
Gerefereerde Studies:
1. Andrew D. Iamset al. (2025). Rapid manufacturing of high-permittivity dielectric elastomer actuator fibers. Journal of Alloys and Compounds. Volume 1025, 25 april 2025, 180281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281
