Additiv produksjon
Hvordan kvasi‑krystaller styrker romfarts‑klasse 3D‑printet aluminium
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
Fra teori til praksis
Nobelpriser gis noen ganger for funn som kan virke abstrakte for allmennheten. Et eksempel er Nobelprisen i kjemi i 2011 for oppdagelsen av kvasikrystaller.
Mange naturlige og menneskeskapte materialer består av periodiske krystaller. På atomnivå gjentas en enhetscelle i tre dimensjoner, og strukturen bidrar til egenskapene til metaller, halvledere og andre materialer.
I tre dimensjoner finnes det 230 krystallografiske romgrupper som beskriver mulige periodiske symmetrier. Kvasikrystaller utfordret den tidligere antakelsen om at atomær orden alltid måtte være periodisk.
Kilde: Nobel Prize
Kvasikrystaller har langtrekkende orden uten periodisk gjentakelse. Dan Shechtman rapporterte først diffraksjonsmønsteret i en aluminium-mangan-legering. Det var denne oppdagelsen som senere fikk Nobelprisen, ikke forskning ved NIST.
Kilde: NIST
Andrew Iams og kollegene undersøkte kvasikrystaller som dannes når en høyfast aluminiumlegering fremstilles med 3D-printing. Fordi enkelte aluminiumlegeringer lett sprekker i additiv produksjon, kan forståelsen av denne strukturen bidra til mer pålitelige materialer for luft- og romfart.
(Du finner en bransjeoversikt i artikkelen vår «3D-printing konsolideres mot fremtidens produksjon».)
Forskningsresultatene1 fra NIST, HRL Laboratories LLC og L.A. Giannuzzi & Associates LLC ble publisert i Journal of Alloys and Compounds med tittelen «Mikrostrukturelle trekk og dannelse av metastabile faser i en høyfast aluminiumlegering fremstilt med additiv produksjon».
Hvorfor er krystaller viktige?
En krystallstruktur kan gi et materiale særpregede egenskaper, men den mekaniske oppførselen påvirkes også av krystallfeil, korngrenser, sammensetning og termisk historie.
Plastisk deformasjon i metaller skjer ofte ved at dislokasjoner beveger seg langs bestemte krystallplan. Korngrenser og utfellinger kan hindre denne bevegelsen, mens restspenning, porer og sprekker kan svekke komponenten.
I additiv produksjon smeltes og avkjøles små metallvolumer gjentatte ganger og svært raskt. Temperaturgradienter, krymping og størkningsintervallet til enkelte legeringer kan utløse størkningssprekker, også kalt hot tearing.
Sprekker kan dannes når det gjenværende flytende metallet ikke klarer å fylle krympingen i nettverket av fast metall som avkjøles. Slike feil reduserer komponentens integritet, men risikoen avhenger av legering, prosessparametere, geometri og etterbehandling.
Behovet for bedre 3D‑print av aluminium
Mye mer ekstreme temperaturer
Ved konvensjonell aluminiumstøping avhenger helletemperatur og kjølehastighet av legeringen, formen, komponentstørrelsen og prosessen. Intervallene 690–725 °C og 0,4–10 °C per sekund er eksempler, ikke universelle grenser.
Additiv produksjon av metall kan bruke laserbasert pulversengfusjon, der pulver legges ut og smeltes selektivt med laser (lenken viser en video).
Temperaturen og kjølehastigheten lokalt i laserens smeltebad kan bli svært høy, i noen forhold over 106 °C per sekund. De nøyaktige verdiene varierer og kan ikke uten videre behandles som gjennomsnittstemperaturen i hele smeltebadet.
Store temperaturgradienter og rask størkning kan øke restspenning og sprekkfare i høyfaste aluminiumlegeringer. Pulversammensetning og prosessparametere må derfor styres nøye.
«Høyfaste aluminiumlegeringer er nesten umulige å printe. De har en tendens til å utvikle sprekker som gjør dem ubrukelige.»
Løftene med 3D‑printet aluminium
Til tross for utfordringene er 3D-printing av aluminium lovende fordi metoden kan lage interne kanaler og kompliserte former som er vanskelige å fremstille med støping, smiing eller maskinering.
Deler til rakettmotorer og drivstoffdyser kan i noen tilfeller samles fra mange deler til færre gjennom additiv produksjon. Fordeler i vekt, ytelse, kostnad og pålitelighet må dokumenteres for hvert design.
I 2017 viste forskere ved HRL Laboratories at tilsetting av zirkoniumbaserte nanopartikler i aluminiumspulver kunne fremme kjernedannelse av fine korn og begrense sprekker i bestemte legeringer. Resultatet betyr ikke at alle aluminium-zirkonium-blandinger automatisk kan printes uten feil.
Den atomære mekanismen bak styrkingen og dannelsen av metastabile faser i legeringen ble senere undersøkt nærmere.
«For å kunne stole nok på dette nye metallet til å bruke det i kritiske komponenter, som deler til militærfly, trenger vi en dyp forståelse av hvordan atomene er ordnet.»
Finne og lage kvasi‑krystaller
Forskerne brukte elektronmikroskopi og diffraksjon for å undersøke strukturen på svært liten skala. De fant mønstre med fem-, tre- og tofold rotasjonssymmetri som stemte med en ikosaedrisk kvasikrystallfase, og ikke med vanlige periodiske krystaller i aluminiumlegeringer.
«Det var da jeg begynte å bli begeistret, fordi jeg tenkte at jeg kanskje så på en kvasikrystall.»
Andrew Iams, materialforskningsingeniør ved NIST
Ved siden av de fine kornene i aluminium-zirkonium-legeringen observerte teamet ikosaedriske kvasikrystaller, med symmetri som kan illustreres av en 20-sidet terning.
Kilde: Math Stack Exchange
Kvasikrystallfasen antas å bidra til kjernedannelse og en finkornet mikrostruktur. Finere korn kan hindre sprekkvekst og øke styrken, men kvasikrystaller er ikke bare «feil» og garanterer ikke i seg selv en sprekkfri komponent.
Datasimuleringer bidro til å tolke hvordan kvasikrystallene ble dannet. Resultatene pekte på en metastabil sekundærfase under avkjølingen som kan legge til rette for denne fasen.
Strukturer som starter rundt kvasikrystallkjerner, kan påvirke veksten og orienteringen til kornene rundt. Sammenhengen med styrke, seighet, utmatting og sprekkmotstand må fortsatt testes på flere prøver og komponenter.
Kilde: NIST
Fremtidige utviklinger
I innledende tester hadde den 3D-printede aluminiumlegeringen en hardhet som kunne sammenlignes med toppaldret AA7075. Hardhet erstatter ikke fullstendige data om strekkfasthet, duktilitet, seighet, utmatting, korrosjon og produksjonsvariasjon for flybruk.
De første testene tyder på at utfellingsherdende varmebehandling kan øke hardheten ytterligere, men nytten og avveiningene må fortsatt påvises eksperimentelt.
Funnene gir et rammeverk for å styre dannelsen av metastabile faser under additiv produksjon. Neste trinn omfatter optimalisering av sammensetning og prosess, omfattende mekanisk testing, reproduserbarhet mellom maskiner, feilkontroll og kvalifisering av komponenter.
Investere i 3D‑print
3D-printing brukes kommersielt i flere nisjer, men modenhet og økonomi varierer mellom materialer og bruksområder. Konsolidering i bransjen garanterer ikke vekst, lønnsomhet eller suksess for hvert selskap.
Aksjer knyttet til 3D-printing kan handles gjennom flere meglere. Nettstedet har meglerguider for USA, Canada, Australia, Storbritannia og andre land. Tilgjengelige verdipapirer, kostnader og investorvern avhenger av jurisdiksjonen.
Flere ideer finnes i artikkelen «De 10 beste nanoteknologiaksjene». Listen er et utgangspunkt for undersøkelser, ikke en personlig anbefaling.
Investorer som ikke ønsker å velge ett enkelt selskap, kan undersøke fond som ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT). Et ETF har fortsatt markeds-, konsentrasjons- og kostnadsrisiko, endrer beholdning og kan tape verdi.
Et innovativt eksempel
(Andre selskaper omtales i artikkelen «10 aksjer innen additiv produksjon og 3D-printing å følge med på».)
Nano Dimension
NNDM Prisdiagram
Mange selskaper innen additiv produksjon fokuserer på deler i metall og polymer. Nano Dimension (NNDM ) begynte med systemer for 3D-printet elektronikk, blant annet ledende og dielektriske blekk og keramiske materialer til prototyper og spesialkomponenter.
Et beslektet område er printing på svært liten skala, omtalt i «3D-printing på nanoskala nærmer seg kommersialisering».
Nano Dimension har vokst gjennom intern forskning og flere oppkjøp. Strategien utvider porteføljen, men øker også integrasjons-, kostnads-, utvannings- og kapitalrisikoen.
Kilde: Nano Dimensions
Oppkjøpet av Desktop Metal ble kunngjort i 2024 og fullført i 2025. Kunngjøringen beskrev en kombinasjon av elektronikk-, metall-, keramikk- og industrisystemer, men synergier, skala og økonomisk resultat var ikke garantert.
Selskapet har oppgitt en kundebase med blant andre SpaceX (SPCX ), Tesla (TSLA ), GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA og Medtronic. Kontraktsverdi, aktive forhold og gjentakende inntekter kan ikke utledes bare av navnene.
Ulike geografiske fotavtrykk og salgsteam kan gi muligheter for kryssalg, men sammenslåing av produkter, organisasjon og kundestøtte kan også skape kostnader og forstyrrelser.
Kilde: Nano Dimension
Selskapet har tidligere hevdet at bestemte scenarioer reduserer material-, vann- og kjemikaliebruk samt utslipp. Prosentene gjelder ikke automatisk alle maskiner, materialer eller livsløp og dokumenterer ikke markedsledelse.
Kilde: Nano Dimensions
Den samlede porteføljen kan dra nytte av økt etterspørsel etter additiv produksjon eller kommersialisering av nye aluminiumlegeringer. Kvasikrystallstudien viser likevel ikke at Nano Dimension har enerett, et tilknyttet produkt eller fremtidige inntekter fra funnet.
Investorer bør merke seg at både Nano Dimension og Desktop Metal hadde negativ kontantstrøm før oppkjøpet. Utsiktene for det sammenslåtte selskapet avhenger av kontantbeholdning, kostnadskutt, integrasjon, etterspørsel, marginer, selskapsstyring og evnen til å bli lønnsomt, med betydelig usikkerhet i alle ledd.
Siste om Nano Dimension
Studier referert:
1. Andrew D. Iams et al. (2025). Microstructural features and metastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated using additive manufacturing. Journal of Alloys and Compounds. Volume 1025, 25 april 2025, 180281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281
