211service.com
Nieuwe 3D-afdruktechniek maakt keramische onderdelen
Een nieuwe manier om deze taaie materialen te maken, zou een belangrijke stap kunnen zijn in het produceren van betere vliegtuigmotoren en duurzame machineonderdelen. 19 april 2016
Keramiek is een van de hardste materialen op aarde. Ze zijn bestand tegen extreme temperaturen en sommige zijn ongevoelig voor wrijving, krassen en andere mechanische belastingen die metaal en plastic verslijten. Maar het kan moeilijk zijn om complexe vormen uit de materialen te maken.
Chemisch ingenieur Zak Eckel en groepsleider Tobias Schaedler.
Chemici van HRL Laboratories in Malibu, Californië, hebben dat probleem mogelijk omzeild door keramiek te ontwikkelen dat in een 3D-printer kan worden gemaakt. Het resultaat: ultrasterke objecten die met conventionele methoden onmogelijk te maken zijn.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2016
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Keramiek wordt tegenwoordig gebruikt in remblokken, de behuizing van micro-elektronica en thermische afschermingstegels (zoals die op ruimtevaartuigen). Nu proberen de wetenschappers van HRL de toepassingen flink uit te breiden. Als onderdelen voor vliegtuigmotoren bijvoorbeeld van keramiek zouden zijn gemaakt, zouden de motoren op een hogere temperatuur kunnen draaien, waardoor hun efficiëntie toeneemt.
Keramiek kan ook een upgrade bieden voor onderdelen die worden gebruikt in stoomturbines en andere machines die bestand moeten zijn tegen schroeiende, mechanisch zware omstandigheden. Het laboratorium is mede-eigendom van Boeing en General Motors, en het project heeft enige financiering van DARPA, de R&D-afdeling van het Amerikaanse ministerie van Defensie.
Links: Deze beker met hars bevat polymeerprecursoren die door een 3D-printer kunnen worden gehaald om objecten te maken. Rechts: In de printer valt ultraviolet licht op de hars, waardoor het hard wordt om dingen laag voor laag op te bouwen.
Links: Deze beker met hars bevat polymeerprecursoren die door een 3D-printer kunnen worden gehaald om objecten te maken. Rechts: In de printer valt ultraviolet licht op de hars, waardoor het hard wordt om dingen laag voor laag op te bouwen.
Na ongeveer 90 minuten printen komt dit kleine onderdeel, een waaier, uit het harsbad. Waaiers worden gebruikt in stoomturbines en andere machines die bestand zijn tegen slijtage en hoge temperaturen.
Links: Het bedrukte deel wordt in een oven behandeld om het polymeer te bakken en er keramiek van te maken. Daarbij krimpt het onderdeel met ongeveer 30 procent. Rechts: Schaedler maakt zich klaar om het keramische deel uit de oven van 1000 °C te trekken.
Links: Het bedrukte deel wordt in een oven behandeld om het polymeer te bakken en er keramiek van te maken. Daarbij krimpt het onderdeel met ongeveer 30 procent. Rechts: Schaedler maakt zich klaar om het keramische deel uit de oven van 1000 °C te trekken.
Om de hittetolerantie van het materiaal te testen, legden HRL-wetenschappers het onder een fakkel van ongeveer 1.200 °C.
De truc van HRL is om speciale harsen te formuleren die als inkt in een printer kunnen worden gebruikt. Ze zijn gemaakt van polymeren, maar bevatten in hun moleculaire structuur silicium en andere elementen die in keramiek worden aangetroffen. Deze harsen worden in 3D-printers geladen om onderdelen met barokke vormen te maken, zoals kurkentrekkers en platen met ingewikkelde roosters. Vervolgens gaan die onderdelen in een oven om de organische polymeercomponenten uit te bakken, waarbij keramisch materiaal achterblijft.
Grotere stukken bedrukt keramisch gaas en roosterplaten zoals deze kunnen worden gebruikt om ruimtevaartuigen te beschermen tegen extreme temperaturen.
De 3D-geprinte keramiek zou in sommige opzichten beter kunnen zijn dan hun conventionele tegenhangers. Een rooster gemaakt bij HRL heeft 10 keer de druksterkte van commercieel verkrijgbare keramiek. Deze geprinte onderdelen kunnen ook hitte verdragen tot wel 1700 °C, een temperatuur waarbij andere keramiek begint te degraderen.
Maar de groep hoopt nog steeds zijn gedrukte keramiek sterker te maken. Een benadering is het ontwerpen van nieuwe soorten pre-keramische polymeren waarin vezels zijn ingebed om te voorkomen dat scheuren zich verspreiden. Keramiek is broos en kan met één scheur catastrofaal falen. Het zou niet goed zijn als een minuscuul defect een slim nieuw onderdeel zou doen versplinteren.