Nieuwe 3D-printmethode ‘kweekt’ ultrasterke materialen

Een nieuwe 3D-printmethode laat metalen en keramiek groeien in een gel op waterbasis, wat resulteert in uitzonderlijk dichte, maar complexe constructies voor de volgende generatie energie-, biomedische en sensortechnologieën.

Vatfotopolymerisatie is een 3D-printtechniek waarbij een lichtgevoelige hars in een vat wordt gegoten en vervolgens selectief wordt uitgehard tot de gewenste vorm met behulp van een laser of uv-licht. Dit proces wordt echter meestal alleen gebruikt met lichtgevoelige polymeren, wat de toepassingsmogelijkheden beperkt.

Hoewel er enkele 3D-printmethoden zijn ontwikkeld om deze geprinte polymeren om te zetten in sterkere metalen en keramiek, legt Daryl Yee, hoofd van het Laboratorium voor Chemie van Materialen en Productie aan de School of Engineering van EPFL, uit dat materialen die met deze technieken worden geproduceerd, te kampen hebben met ernstige structurele nadelen. “Deze materialen zijn vaak poreus, wat hun sterkte aanzienlijk vermindert, en de onderdelen krimpen overmatig, wat kromtrekken veroorzaakt.”

Nu hebben Yee en zijn team een ​​artikel gepubliceerd in Advanced Materials waarin een unieke oplossing voor dit probleem wordt beschreven. In plaats van licht te gebruiken om een ​​hars te laten uitharden die vooraf is geïnjecteerd met metaalprecursoren, zoals bij eerdere methoden het geval was, creëert het EPFL-team eerst een 3D-structuur van een eenvoudige hydrogel. Vervolgens injecteren ze deze ‘lege’ hydrogel met metaalzouten, waarna ze deze chemisch omzetten in metaalhoudende nanodeeltjes die de structuur doordringen. Dit proces kan vervolgens worden herhaald om composieten met zeer hoge metaalconcentraties te verkrijgen.

Na 5-10 ‘groeicycli’ verbrandt een laatste verhittingsstap de resterende hydrogel, waarna het eindproduct overblijft: een metalen of keramisch object in de vorm van het oorspronkelijke, blanco polymeer, met een ongekende dichtheid en sterkte. Omdat de hydrogels pas na de productie met de metaalzouten worden doordrenkt, maakt de techniek het mogelijk om één enkele hydrogel om te zetten in meerdere verschillende composieten, keramiek of metalen.

“Ons werk maakt niet alleen de productie van hoogwaardige metalen en keramiek mogelijk met een toegankelijk en goedkoop 3D-printproces; het benadrukt ook een nieuw paradigma in additieve productie, waarbij de materiaalselectie plaatsvindt ná het 3D-printen, in plaats van ervoor”, vat Yee samen.

Geavanceerde 3D-architecturen als doelwit

Het team vervaardigde gyroids van ijzer, zilver en koper om aan te tonen dat hun techniek sterke maar complexe structuren kan produceren. Om de sterkte van hun materialen te testen, gebruikten ze een universele testmachine om toenemende druk op de gyroids uit te oefenen.

“Onze materialen konden 20 keer meer druk weerstaan ​​dan materialen die met eerdere methoden werden geproduceerd, terwijl ze slechts 20% krimp vertoonden tegenover 60-90%”, aldus eerste auteur Yiming Ji.

De wetenschappers zeggen dat hun techniek vooral interessant is voor de fabricage van geavanceerde 3D-architecturen die tegelijkertijd sterk, lichtgewicht en complex moeten zijn, zoals sensoren, biomedische apparaten of apparaten voor energieomzetting en -opslag. Metaalkatalysatoren zijn bijvoorbeeld essentieel voor het mogelijk maken van reacties die chemische energie omzetten in elektriciteit. Andere toepassingen zouden metalen met een groot oppervlak en geavanceerde koeleigenschappen voor energietechnologieën kunnen zijn.

Naar de industrie

Vooruitkijkend werkt het team aan het verbeteren van hun proces om de acceptatie door de industrie te vergemakkelijken, met name door de dichtheid van hun materialen verder te verhogen. Een ander doel is snelheid: de herhaalde infusiestappen zijn weliswaar essentieel voor de productie van sterkere materialen, maar maken de methode tijdrovender dan andere 3D-printtechnieken voor het omzetten van polymeren in metalen. “We werken er al aan om de totale verwerkingstijd te verkorten door een robot te gebruiken om deze stappen te automatiseren”, zegt Yee.