3D-printen kan gemakkelijk metalen onderdelen met complexe structuren en lichtgewicht eigenschappen produceren, wat zeer aantrekkelijk is voor toekomstige hoogwaardige apparatuur zoals vliegtuigen en ruimtevaartuigen, waarbij gewichtsreductie en integratie centraal staan. Metalen onderdelen die via 3D-printen zijn vervaardigd, vertonen echter over het algemeen een kritiek tekortkoming—slechte vermoeiingsbestendigheid, wat betekent dat ze gevoelig zijn voor vermoeiingsbreuken onder cyclische belasting, waardoor hun toepassing in essentiële gebieden sterk wordt beperkt. Onlangs heeft een team onder leiding van onderzoekers Zhang Zhefeng en Zhang Zhenjun van het Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences (IMR, CAS), een nieuwe nabewerktechnologie voor 3D-printen ontwikkeld. Het titaniumlegeringsmateriaal dat via deze NAMP-technologie wordt geproduceerd, vertoont ongekende vermoeiingsbestendigheid onder diverse spanningsverhoudingsomstandigheden; de algehele vermoeiingsprestaties overtreffen die van alle bekende metalen materialen, waardoor een belangrijke belemmering voor de toepassing van 3D-printtechnologie in hoge-nauwkeurigheids- en geavanceerde toepassingsgebieden is weggenomen. De bijbehorende onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Science Advances.
Begin 2024 heeft het team een nieuw NAMP-proces ontwikkeld dat de interne structuur en gebreken van materialen nauwkeurig kan beheersen. Ti-6Al-4V, een van de meest gebruikte titaniumlegeringen die met dit proces worden geproduceerd, kan zowel microporen als grove microstructuren elimineren—beide zijn de belangrijkste oorzaken van vermoeiing. Dit nieuwe materiaal verbrak het wereldrecord voor "specifieke vermoeiingssterkte" onder "trek-trek"-spanningsverhoudingsomstandigheden.
Echter worden reële onderdelen, zoals turbinebladen en landingsgestellen van vliegtuigen, blootgesteld aan uiterst complexe belastingsomstandigheden, waaronder niet alleen ‘trek-trek’- maar ook ‘trek-druk’-scenario’s, wat betekent dat de spanningsverhouding variabel is. Verschillende spanningsverhoudingen kunnen verschillende schade-mechanismen in het materiaal activeren. De microstructuren van traditionele titaniumlegeringen vertonen vaak beperkingen: zij presteren slechts goed onder bepaalde, specifieke spanningsverhoudingen, maar presteren minder goed wanneer de spanningsverhouding verandert. Dit maakt het zeer moeilijk om een materiaal te produceren dat onder alle werkomstandigheden goed presteert.
Geconfronteerd met deze complexere uitdaging, identificeerde het onderzoeksteam meerdere zwakke schakels in titaniumlegeringen die gevoelig zijn voor vermoeiingsbreuken en de belastingsmodi waarbij deze optreden. Met behulp van het NAMP-proces produceerden zij bijna poreuze 3D-geprinte structuren die alle zwakke schakels tegelijkertijd kunnen optimaliseren. Dit 3D-geprinte titaniumlegering heeft de eigenschap dat het een hoge vermoeiingssterkte behoudt onder volledige spanningsverhoudingsomstandigheden.
Experimentele gegevens tonen aan dat de vermoeiingssterkte van dit nieuwe materiaal bij vermoeiingstests onder verschillende spanningsverhoudingen niet alleen hoger is dan die van alle titaniumlegeringen, maar ook dat de 'specifieke vermoeiingssterkte' van dit materiaal in zijn geheel superieur is aan die van alle metalen materialen, waarmee een nieuw wereldrecord wordt gevestigd.
EN