Composiet met vezels 3D-printen nu eindelijk mogelijk!

In de 3D-printwereld wordt steeds meer geëxperimenteerd met meerdere extruders en materialen. Printjes maken met meerdere materialen is volop in ontwikkeling, het opent veel nieuwe perspectieven. Een team ontwikkelaars van de universiteit van Bristol in Engeland is nu een stap verder gekomen en heeft een nieuwe methode ontwikkeld voor het 3D-printen van composieten. Geavanceerd composiet heeft vele voordelen, maar tot op heden was het onmogelijk dit te 3D-printen.

Via een combinatie van desktop 3D-printingtechnologie, harsen die met licht worden uitgehard en ultrasone golven hebben de onderzoekers een nieuwe, hybride printmethode ontwikkeld. Hiermee kunnen 3D-geprinte supersterke en lichtgewicht composieten gemaakt worden van het type dat gebruikt wordt voor tennis rackets, golf clubs, professionele fietsen en zelfs vliegtuigonderdelen.

In dit unieke 3D-printproces worden ultrasone golven gebruikt om miljoenen kleine versterkingsvezels te positioneren die samen microscopisch klein versterkingskader vormen dat het materiaal een ongelooflijke sterkte geeft. Deze microstructuur wordt vervolgens op zijn plek verankerd met een focused laserstraal die de epoxyhars uithardt.

Hoe werkt het?

Composieten worden gemaakt door het combineren van microstructuren van glas of carbonvezel met een plastic. De zorgvuldig geplaatste vezels grijpen in elkaar en geven het nieuwe materiaal zijn kracht en hardheid, terwijl het plastic ervoor zorgt dat het materiaal licht in gewicht blijft. Op dit moment worden composieten geproduceerd als dunne vellen die dan gelaagd worden en in de gewenste vorm en dikte gesneden worden. Het probleem met het gebruiken van dit materiaal voor 3D-printen, zijn de kleine vezels in de composieten. Om de gewenste sterkte te krijgen, moeten de vezels in een zeer precieze structuur worden uitgelijnd, en dat is nu niet mogelijk met een 3D-printer.

De onderzoekers uit Bristol hebben een proces ontdekt dat een hars combineert met miljoenen microscopisch kleine glasvezels die via ultrasone golven op hun plek worden gezet. Als de ultrasone golven op het vloeibare materiaal worden gericht op bepaalde frequenties, creëert dat een krachtenveld dat ervoor zorgt dat de glasvezels de juiste uitlijning krijgen. De glazen structuren dienen als materiaalversterking, vergelijkbaar met hoe wapening wordt gebruikt om betonnen structuren als funderingen of bruggen te versterken. Zodra de structuren gereed zijn, wordt het hars uitgehard via een zeer gerichte laserstraal. Het resultaat is een composiet dat dezelfde eigenschappen heeft als dat wat gemaakt wordt met traditionele composietproductiemethoden.

Naast het voordeel van extra sterkte en hardheid, heeft dit nieuwe composiet op zijn traditioneel gefabriceerde evenknie voor dat het in geheel nieuwe patronen kan worden gemaakt. De ultrasone golfpatronen kunnen eenvoudig worden aangepast om de positie van de glasvezels te wijzigen tijdens het 3D-printproces. Dit geeft veel vormvrijheid.

Zo kunnen er nieuwe, slimme materialen tot stand komen die in staat zijn om automatisch complexe taken uit te voeren zoals zelf schade repareren. Onderzoekers kijken al naar het imbedden van netwerken met buizen vol vloeibare hars die een object vanbinnen uit kunnen repareren als het scheurt. De buis bloedt hars en die zou via lasers en ultrasone golven automatisch het object moeten kunnen repareren. Ook kunnen er structuren gemaakt worden die elektriciteit of data kunnen absorberen, opslaan en vervoeren, zodat er geen noodzaak meer is om elektronice of datatransmissie apparaten te gebruiken.

Er wordt nog volop onderzoek naar gedaan, en als je wil weten wat er nu al kan en wat de vervolgstappen zijn, kun je het gehele onderzoekspaper hier lezen.