Op 31 augustus 2023 hebben wetenschappers van de Hong Kong Polytechnic University (hierna PolyU genoemd), in samenwerking met RMIT University en de Universiteit van Sydney, met succes 3D-printen gebruikt om al lang bestaande kwaliteits- en afvalbeheerproblemen bij de productie van titaniumlegeringen op te lossen.
Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature in een artikel met de titel "Strong and ductiletitanium-zuurstof-ijzerlegeringen door additieve productie".
Titaniumlegeringen zijn geavanceerde lichtgewicht materialen die een integrale rol spelen in veel kritische toepassingen. Het onderzoeksteam ontdekte dat het innovatieve gebruik van additieve productie om titaniumlegeringen en mogelijk andere metalen materialen te produceren veel voordelen biedt, zoals lagere kosten, betere prestaties en duurzaam afvalbeheer.
Met behulp van 3D-printen produceerde het onderzoeksteam een nieuw type sterke, ductiele en duurzame titaniumlegering (-Ti-O-Fe-legering). Deze eigenschappen worden bereikt door de toevoeging van goedkope en overvloedige zuurstof en ijzer, de twee krachtigste stabiliserende elementen en versterkende middelen voor titaniumlegeringen in de alfa-bètafase. Nieuwe titaniumlegeringen vertonen een groot potentieel in een verscheidenheid aan toepassingen -- van lucht- en ruimtevaart- en maritieme techniek tot consumentenelektronica en biomedische apparaten.
Vergeleken met het veelgebruikte Ti-6AI-4V-benchmarkmateriaal sinds de formulering in 1954, vertoont de nieuwe titaniumlegering geproduceerd door het onderzoeksteam betere mechanische eigenschappen, met vergelijkbare ductiliteit en aanzienlijk hogere sterkte.
Hoewel traditionele productiemethoden zoals gieten ook kunnen worden gebruikt om nieuwe titaniumlegeringen te produceren, kunnen de slechtere eigenschappen van de resulterende materialen ze ongeschikt maken voor praktische engineering. Additieve productie overwint effectief de beperkingen van traditionele methoden om de eigenschappen van legeringen te verbeteren.
Het energie-intensieve Kroll-proces dat doorgaans wordt gebruikt om titaniumlegeringen te produceren, produceert titaniumsponsen die niet aan de specificaties voldoen, die ongeveer 10 procent van alle titaniumsponsen uitmaken, wat leidt tot aanzienlijk afval en hogere productiekosten. Additieve productie pakt dit probleem effectief aan door off-spec titaniumspons te recyclen en het afval om te zetten in poeder dat als grondstof kan worden gebruikt.
Deze studie integreert legeringsontwerp, computationele simulaties en experimentele karakterisering om de ruimte voor het additieve productieproces, de microstructuur en de eigenschappen van nieuwe titanium-Ti-O-Fe-legeringen te onderzoeken.
Het onderzoek benadrukt dat additive manufacturing complexe en functionele metalen onderdelen in één stap kan produceren, waardoor de productontwikkeling wordt versneld en de kosten worden verlaagd. Bovendien kan het worden gebruikt om metalen onderdelen te maken met unieke structuren en composities, wat niet met traditionele methoden kan worden bereikt.
In termen van kwaliteitsverbetering kan additieve productie de microstructuur van metaallegeringen aanpassen, waardoor de sterkte, flexibiliteit en corrosie- en waterbestendigheid worden verbeterd. Bovendien is het mogelijk om lichtgewicht maar toch sterke metalen onderdelen met complexe interne structuren te vervaardigen. Deze doorbraak in onderzoek opent mogelijkheden voor holistische en duurzame materiaalontwerpstrategieën, aangedreven door 3D-printen.
