Metall 3-D-utskrift har enorm potential att revolutionera modern tillverkning. Dock, de mest populära metalltryckningsprocesserna, som använder laser för att smälta samman fint metallpulver, har sina begränsningar. Delar som tillverkas med selektiv lasersmältning (SLM) och andra pulverbaserade metalltekniker slutar ofta med luckor eller defekter som orsakas av en mängd olika faktorer.

För att övervinna nackdelarna med SLM, Lawrence Livermore National Laboratory forskare, tillsammans med medarbetare vid Worchester Polytechnic Institute, tar ett helt nytt förhållningssätt till metall 3-D-utskrift med en process som de kallar direkt metallskrivning, i vilken halvfast metall direkt extruderas från ett munstycke. Metallen är konstruerad för att vara ett skjuvförtunnande material, vilket betyder att den fungerar som en fast när den står stilla, men flyter som en vätska när en kraft appliceras. Resultaten av den pågående treåriga studien publicerades i februari i Bokstäver i tillämpad fysik .

"Vi är på nytt territorium, " sa huvudförfattaren Wen Chen, en LLNL materialforskare. "Vi har utvecklat en ny tillverkningsteknik för metalltillsats som folk inte är medvetna om ännu. Jag tror att många människor kommer att vara intresserade av att fortsätta detta arbete och utöka det till andra legeringar."

Istället för att börja med metallpulver, tekniken för direkt metallskrivning använder ett göt som värms upp tills det når ett halvfast tillstånd - fasta metallpartiklar omges av en flytande metall, resulterar i ett pastaliknande beteende, sedan tvingas den genom ett munstycke. Materialet är skjuvförtunning pga. när den är i vila, de fasta metallpartiklarna klumpar ihop sig och gör att strukturen blir fast. Så snart materialet rör sig, eller är i klippning, de fasta partiklarna bryts upp och systemet fungerar som den flytande matrisen. Det hårdnar när det svalnar, så det finns mindre inkorporerad oxid och mindre restspänning i delen, förklarade forskarna.

Även om de är uppmuntrade av deras framgång med att trycka provbitar, forskarna varnade för att metoden fortfarande är i ett tidigt skede och kommer att behöva mer arbete för att uppnå högre upplösningsdelar med mer industrivänliga metaller, såsom aluminium och titan. I tidningen, teamet tillverkade delar med hjälp av en vismut-tennblandning, som har en låg smältpunkt på mindre än 300 grader Celsius. Processen tog många iterationer för att bli rätt, eftersom forskare stötte på problemet med dendriter – fingrar av solid metall som skulle fastna i munstycket.

"Huvudfrågan var att få mycket snäv kontroll över flödet, " sa LLNL-ingenjören Andy Pascall. "Du behöver exakt kontroll av temperaturen. Hur du rör om det, hur snabbt du rör om det, allt gör skillnad. Om du kan få rätt flödesegenskaper, då har du verkligen något. Vad vi har gjort är att verkligen förstå hur materialet strömmar genom munstycket. Nu har vi fått så bra kontroll att vi kan skriva ut självbärande strukturer. Det har aldrig gjorts förut."

Forskarna sa att den senaste studien kommer att ge exakta driftsförhållanden för utskrift med metall direkt från ett munstycke. De går redan över till aluminiumlegeringar, en metall som skulle vara mer attraktiv för industrier som flyg och transport, men kommer att innebära utmaningar på grund av dess högre smältpunkt.

"Att kunna skriva ut delar av metall på detta sätt är potentiellt viktigt, " sa personalforskaren Luke Thornley, som arbetade med att konstruera materialet. "Så mycket av arbetet som går till validering och analys för defekter skulle elimineras. Vi kan använda mindre material för att tillverka delar, betyder lättare delar, vilket skulle vara stort för flyg- och rymdindustrin."