Hur kvasi kristaller stärker flygindustrins 3D‑skrivna aluminium av flygkvalitet

Från teori till praktik

Sometimes, Nobel Prize attribution goes to research that might be a little abstract for the greater public. This was the case for 2011 års Nobelpris i kemi, som belönade upptäckten av “kvasi kristaller”.

Det beror på att många material i naturen, liksom konstgjorda, är organiserade i ”normala” kristaller. Vad som definierar dem är en enkel 3D‑struktur på atomnivå som upprepas miljoner gånger, ända upp till den makroskopiska skalan. Dessa strukturer ger egenskaperna till olika metaller samt andra material som silikonen i datorkretsar och solpaneler.

Det finns bara 230 möjliga sätt för atomer att bilda upprepande kristallmönster, något som tidigare ansågs vara en stel regel i naturen.

Källa: Nobel Prize

Det visade sig dock att andra strukturer var möjliga, där några grundläggande former kan sättas ihop för att organisera regelbundna molekylära strukturer, samtidigt som de inte har ett upprepande mönster. Denna upptäckt gjordes av en forskare som mestadels arbetar vid National Institute of Standards and Technology (NIST).

Källa: NIST

Andrew Iams, en forskare vid NIST, kan ha hittat praktiska tillämpningar för sådana kvasi kristaller, eftersom de bildas under 3D‑utskrift av aluminium. Eftersom aluminium är ett mycket användbart metall i flygindustrin, men också särskilt svårt att 3D‑skriva, kan detta representera ett stort genombrott.

(You can read an overview of the 3D printing industry in our article “3D Printing Consolidating Into The Future Of Manufacturing”).

Dessa resultat¹, utförda av forskare vid NIST, HRL Laboratories LLC och L.A. Giannuzzi & Associates LLC, publicerades i Journal of Alloys and Compounds, under titeln “Mikrostrukturella egenskaper och metastabil fasbildning i en högstyrka aluminiumlegering tillverkad med additiv tillverkning”.

Varför är kristaller viktiga?

Även om en kristallstruktur kan ge speciella egenskaper till ett material, medför den också svagheter.

Eftersom strukturen är extremt regelbunden kan atomerna lätt glida förbi varandra. När detta sker i stor skala skapar det mikrosprickor eller till och med stora sprickor i materialet, vilket totalt sett gör det svagare än vad det teoretiskt skulle kunna vara.

Detta problem förstärks vid 3D‑utskrift eftersom metallen smälter i små mängder och sedan kyls ner många gånger. Och både vid 3D‑utskrift och traditionell smide är aluminium särskilt sårbart för så kallade solidifieringssprickor, eller hettearing.

Detta sker när den återstående flytande metallen misslyckas med att kompensera för krympningen vid avkylning av den redan fasta metallen. Sådana sprickor äventyrar den strukturella integriteten hos aluminiumdelarna och kan leda till svagare material som är mer benägna att gå sönder.

Behovet av bättre 3D‑utskrift av aluminium

Mycket mer extrema temperaturer

Vid traditionell gjutning av aluminium ligger temperaturerna för den flytande metallen mellan 690 °C och 725 °C (1274 °F – 1337 °F), och solidifieringskylhastigheterna är vanligtvis mellan 0,4 °C/s och 10 °C/s.

I kontrast använder additiv tillverkning (3D‑utskrift) för metalliska material laser‑pulverbäddsammansmältning, där metallpulver deponeras och sedan smälts av en laser (följ länken för att se det i video).

Detta genererar temperaturer för den flytande metallen över 3000 °C (5430 °F), förbi metallens kokpunkt istället för bara smältning, samt ultrahöga solidifieringskylhastigheter som överstiger 1 miljon °C/s.

Dessa högre temperaturer och mycket högre kylhastigheter förstärker problemet med solidifieringssprickor.

“Högstyrka aluminiumlegeringar är nästan omöjliga att skriva ut. De tenderar att utveckla sprickor, vilket gör dem oanvändbara.” – Fan Zhang – NIST‑fysiker

Löftena med 3D‑skrivet aluminium

Trots de tekniska svårigheterna är 3D‑utskrift av aluminium mycket lovande, eftersom den kan skapa former och delar som andra smidtekniker inte kan producera.

Till exempel tillverkas delar av raketmotorer eller bränslemunstycken för flygplansmotorer nu ofta med 3D‑utskrift, vilket omvandlar upp till 20 delar som kräver montering till bara en och minskar vikten.

År 2017 upptäckte ett team från HRL Laboratories (som bidrog till den här forskningen) att tillsats av zirconium till aluminiumpulvret förhindrade att de 3D‑skrivna delarna sprack, vilket resulterade i en stark legering.

Källa: Journal of Alloys and Compounds

Men varför detta fungerar var fortfarande i stort sett oklart tills märkliga strukturer observerades i den atomära metallstrukturen.

“För att kunna lita på detta nya metall tillräckligt för att använda i kritiska komponenter såsom militära flygplansdelar, behöver vi en djup förståelse för hur atomerna passar ihop.” – Fan Zhang – NIST‑fysiker

Att hitta och tillverka kvasi kristaller

Forskarna var tvungna att använda ett elektronstråle‑mikroskop för att analysera materialet med den minsta möjliga bildupplösningen. Det avslöjade att atomerna var arrangerade i nya, märkliga mönster som uppvisade femfaldig, tredubbel och tvåfaldig rotationssymmetri som inte kunde orsakas av de kristaller som normalt finns i aluminiumlegeringar.

“Det var då jag började bli exalterad. För jag trodde att jag kanske tittade på en kvasi kristall.” Andrew Iams, materialforskning ingenjör vid NIST

Förutom områden med fina korn av aluminium‑zirkonlegering observerade forskarna ikosahedrala kvasi kristaller, i form av en 20‑sidig tärning.

Källa: Math Stack Exchange

Detta bryter den vanliga kristallstrukturen som normalt finns, vilket minskar risken för sprickbildning. Så kvasi kristaller stör det regelbundna mönstret i aluminiumkristallerna, vilket skapar defekter som gör metallen starkare.

Källa: Journal of Alloys and Compounds

Dator‑simulationer gav sedan insikter i bildandet av kvasi kristaller. Det verkade som om det finns en sekundär fas under kylprocessen, vilket är gynnsamt för kvasi kristallbildning.

Från kärnor gjorda av kvasi kristall sprider sig kvasi kristall‑linjebrottsmönster i metallen, vilket gör den överlag starkare och mindre benägen att spricka under kylning eller mekanisk belastning.

Källa: NIST

Framtida utvecklingar

Denna nya typ av 3D‑skriven aluminiumlegering uppvisar en hårdhet jämförbar med den åldrade AA7075, en etablerad aluminiumlegering med hög korrosionsbeständighet och som används i stor utsträckning i flygplans strukturella delar.

Dessa initiala tester tyder på att utfällnings‑härdande värmebehandling kan göra denna legering ännu hårdare, även om det fortfarande måste bevisas experimentellt.

Det skapar också ett ramverk där produktionen av ännu starkare aluminium kan bli möjlig. Nu när materialforskare delvis kan förutsäga bildandet av kvasi kristaller under additiv tillverkning, kan de fokusera på att förbättra deras förekomst för att förbättra den mekaniska prestandan.

Investera i 3D‑utskrift

3D‑utskrift når först nu teknologisk mognad samt marknadskonsolidering. Detta ger investerare lite mer insyn än tidigare och bekräftar att teknologin är långt ifrån en fad men är här för att stanna.

Du kan investera i företag relaterade till 3D‑utskrift via många mäklare, och du kan på denna webbplats hitta våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, Storbritannien, samt många andra länder.

Förutom de företag som diskuteras nedan kan du också hitta potentiella investeringsidéer i vår artikel “Topp 10 Nanoteknikaktier”.

Om du inte är intresserad av att välja specifika 3D‑utskriftsföretag kan du också titta på ETF:er som ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) för att dra nytta av tillväxten i den additiva tillverkningssektorn som helhet.

Ett innovativt exempel

(Förutom de företag som diskuteras nedan kan du läsa om andra i vår artikel “Topp 10 Additiv tillverkning och 3D‑utskriftsaktier att hålla utkik efter”)

Nano Dimension

De flesta företag inom additiv tillverkning fokuserar på metall och plast, med inriktning på komplexa mekaniska delar. Nano Dimension (NNDM ) fokuserade istället på 3D‑skriven elektronik. Detta inkluderar mycket specialiserade teknologier som ledande eller dielektriska bläck & keramer. Dessa kan exempelvis användas för att bygga optiska eller radiokomponenter.

Detta är en av de möjliga tillämpningarna av 3D‑utskrift på nanoskalig nivå, som vi utforskade vidare i “Nanoskalig 3D‑utskrift ser redo ut för kommersialisering”.

Nano Dimension har vuxit genom en blandning av förvärv och intern FoU.

Källa: Nano Dimensions

Denna strategi nådde en ny topp med förvärvet av Desktop Metal annonserat 2024  och slutfört 2025. Tillsammans kommer de två företagen ha en mycket starkare position inom metall‑ och keramik‑3D‑utskrift i alla skala, från elektronik till stora industriella utrustningar och flygindustrin.

Detta skapar också stordriftsfördelar genom att slå samman kundbasen som inkluderar SpaceX (SPCX ), Tesla (TSLA ), GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics osv.

Slutligen var de två företagen mest aktiva i olika geografiska områden, med Nano Dimension i Europa och Desktop Metal i USA, vilket möjliggör synergier genom att slå samman deras försäljningsteam.

Källa: Nano Dimension

Företaget påstår att de kan minska tillverkningssektorns ekologiska fotavtryck, med en minskning på 94 % i CO₂‑utsläpp, 100 % i vatten, 98 % i material och 82 % i kemikalier. Sammantaget kan vi förvänta oss att Nano Dimension blir en av teknikens ledare.

Källa: Nano Dimensions

De sammanslagna företagen är mycket väl positionerade för att utnyttja nya upptäckter inom 3D‑utskrift och hur man tillverkar en starkare aluminiumlegering, med dessa innovationer sannolikt att expandera den adresserbara marknaden.

Dock måste investerare vara medvetna om att både förvärvet av Nano Dimension och förvärvet av Desktop Metal var kassaflödesnegativa, så det resulterande företaget kommer behöva minska kostnaderna eller växa tillräckligt för att bli lönsamt i framtiden.

Senaste om Nano Dimension

Studier som refereras:

^{1. Andrew D. Iamset al. (2025). Snabb tillverkning av högpermittivitets dielektrisk elastomeraktuatorfibrer. Journal of Alloys and Compounds. Volume 1025, 25 april 2025, 180281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281}