3D-geprinte metakristallen: sterk en licht

Materiaalkunde Door materiaal te printen op basis van een ontwerp van kriskras georiënteerde kristalkorrels blijven eventuele breuken klein.

Geprint metalen kubusje met een onregelmatige interne structuur die het stevigheid en flexibiliteit verleent.
Geprint metalen kubusje met een onregelmatige interne structuur die het stevigheid en flexibiliteit verleent. Foto’s Imperial College London

Met moderne 3D-printers kunnen materialen met allerlei structuren en vormen geprint worden. Zo ontwerpen wetenschappers steeds sterkere en lichtere materialen. Woensdag publiceerden Engelse onderzoekers in Nature een studie waaruit blijkt dat ze die nog sterker, lichter en veerkrachtiger kunnen maken door de structuur ervan aan te passen. Nu is de opbouw van de geprinte materialen rechttoe rechtaan. Dat is ook de meest eenvoudige structuur om te printen. Maar door de structuur wat rommeliger te maken en niet alles netjes recht naast elkaar te zetten, blijken de materialen klappen beter op te vangen. Ze vervormen minder en gaan minder snel kapot als er flinke krachten op werken. Deze nieuwe structuur noemen de onderzoekers een metakristal.

De huidige 3D-geprinte materialen zijn zo ontworpen dat ze superlicht en supersterk zijn, om bijvoorbeeld auto’s en vliegtuigen veilig en sterk te houden en tegelijk het gewicht en brandstofverbruik te verminderen. Maar als het misgaat en deze materialen vervormen of breken, dan gaat het meestal meteen catastrofaal mis en stort de hele structuur in.

Dat komt doordat die materialen opgebouwd zijn uit identieke kleine bouwsteentjes die allemaal in dezelfde richting georiënteerd staan. Die gelijke oriëntatie maakt het materiaal kwetsbaar. Als een van de bouwstenen een zwakke plek heeft en het begeeft, komt er meer kracht te staan op de bouwstenen eromheen. Die storten daardoor ook sneller in en zo ontstaat er een domino-effect.

„In een materiaal zit altijd wel ergens zo’n zwakke plek”, vertelt eerste auteur Minh-Son Pham van Imperial College London via Skype. „Er bestaat geen enkele productiemethode die perfecte materialen zonder zwakke plekken aflevert. Daarom moeten we de breuken en vervormingen die ontstaan controleren en zorgen dat het materiaal niet ernstig beschadigt.”

Met een rommelige opbouw van de bouwsteentjes bootsen Pham en collega’s de sterke structuur na van kristallen van metalen en legeringen die beter bestand zijn tegen plaatselijke breuken en vervormingen. Die natuurlijke materialen bevatten namelijk ook een schijnbaar rommelige, gefragmenteerde structuur. De bouwsteentjes waaruit ze zijn opgebouwd staan niet zo braaf in het gelid als die van de huidige 3D-geprinte materialen.

Ze zijn opgebouwd uit groepjes bouwstenen. In elk groepje staan de bouwsteentjes allemaal in dezelfde richting georiënteerd. Maar onderling verschillen die groepjes van oriëntatierichting. Deze groepjes worden ‘kristalkorrels’ genoemd. Als in een van die korrels een bouwsteentje het begeeft, dan stort het korreltje in, maar als het bij de grens tussen twee korrels komt, dan wordt de ineenstorting gestopt.

„Doordat de krachten daar op een grens stuiten, is er meer kracht nodig om het domino-effect door te laten gaan”, vertelt Pham. Hoe kleiner de korrel, hoe minder ver de vervormingen of breuken komen. Dat beperkt de schade en maakt het materiaal steviger én veerkrachtiger.

Om hun methode te testen maakten de onderzoekers met 3D-printers van metaal en plastic metakristallen met de structuren van de korrelkristallen in de vorm van kubusjes en cilinders. Waar de bouwsteentjes in natuurlijke materialen enkele atomen groot zijn, waren die in de 3D-geprinte modellen 2,5 millimeter tot 3 centimeter groot.

Die eerste testmodellen kunnen tot twee keer meer druk aan dan vergelijkbare materialen zonder granulaire structuur. „In principe kunnen deze structuren van alle denkbare materialen gemaakt worden”, zegt Pham. „Mits je een 3D-printer kan vinden die het materiaal kan printen.”

De toepassingen ziet Pham vooral in auto’s en vliegtuigen. „De rotorbladen van een vliegtuigmotor zouden bijvoorbeeld van deze structuur gemaakt kunnen worden. Ze hoeven niet veel gewicht te tillen, maar ze moeten een botsing met bijvoorbeeld een vogel wel aankunnen.”

    • Dorine Schenk