Huizen, lampen, speelgoed, allerlei bouwpakketten, zelfs geweren en voedsel kunnen uit de 3D-printer komen. Als inkt wordt meestal filament of thermoplastic gebruikt, maar nu is er een betaalbare manier om ook metaal als grondstof in te zetten. En de robuuste (of juist flexibele) sterk geleidende nieuwe creatie doet direct na het printen nog iets bijzonders ook.
3D-printen heeft voor een revolutie gezorgd in het productieproces. Maar het printen van metalen onderdelen kon tot op heden alleen met peperdure apparatuur en onder hoge temperaturen. Daar hebben Amerikaanse onderzoekers iets op gevonden: een metaalgel, die elektrisch geleidende, 3D-geprinte creaties kan maken bij kamertemperatuur. Wetenschapper Michael Dickey van de North Carolina State University legt aan Scientias.nl uit hoe hij tot zijn revolutionaire ‘4D-printer’ is gekomen. “We hebben de koperdeeltjes van tevoren gemengd met water. Als je het geheel niet roert, dan zinken ze allemaal naar de bodem van de bak, net als zandkorrels in een bak water. Wanneer je een klein beetje van het metaal gallium indium – dat smelt bij 15,7 graden Celsius – erbij gooit en roert, dan valt het vloeibare metaal uit elkaar in kleine deeltjes. Dit proces werkt hetzelfde als het schudden van een fles saladedressing. Het water en het vloeibare metaal mengen niet”, legt hij uit.
“Maar dan gebeurt het: deze vloeibare metaaldeeltjes maken de koperdeeltjes ‘nat’. Met andere woorden: ze plakken aan elkaar. Het vloeibare metaal vormt zo kleine ‘vloeistofbruggen’ tussen de koperdeeltjes. Dit is cruciaal, omdat het de manier waarop de deeltjes zich gedragen in het water verandert. Ze bewegen niet meer als korrels rond in de suspensie. De vaste en vloeibare deeltjes zijn nu allemaal aan elkaar gelinkt. Dit resulteert in een gel-achtig materiaal, een soort tandpasta. Het fijne hiervan is dat het nieuwe materiaal door een pijp en uit een opening kan vloeien. Hierbij behoudt het zijn structuur”, vertelt Dickey.
Stabiele metaalgel
Maar wat is er nu zo speciaal aan deze nieuwe gel? “Veel voorwerpen die we in ons dagelijks leven gebruiken, zijn van koper, staal of aluminium gemaakt. Metalen zijn zo nuttig omdat ze elektriciteit kunnen geleiden en sterke mechanische kwaliteiten hebben. We gebruiken ze daarom veel in elektronische apparaten. Deze metalen smelten pas bij hele hoge temperaturen, waardoor het niet mogelijk is om ze uit een kraan te laten stromen bij kamertemperatuur. Door onze uitvinding is dit nu wel mogelijk en we kunnen de metalen onderdelen die we printen er zo uit laten zien als we willen. Dit is een revolutionaire stap voor 3D-printen. Plastic was altijd al bij 20 graden Celsius te printen, maar voor metalen 3D-geprinte objecten was dit nog niet mogelijk”, zegt Dickey.
Toevalstreffer
En toen was de term 4D-printen geboren. “Met 4D-printen bedoelen we een 3D-geprint onderdeel dat nadien nog eens op verschillende manieren van vorm kan veranderen door de temperatuur na het printen op te schroeven. Tijd is hierbij dus de vierde dimensie. Eerlijk gezegd was het 4D-aspect een totale toevalstreffer. Het verraste me enorm dat het mogelijk was om zulke materialen te maken, maar dat ze ook nog gecontroleerd kunnen veranderen na het printen, dat is ronduit geweldig. We hadden dit niet gepland, maar het is fenomenaal dat het zo werkt”, klinkt het enthousiast.
Hoe het precies werkt? “Na het printen van de gel verdampt het water. Als we dit proces versnellen door de temperatuur te verhogen, dan blijken de onderdelen van vorm te veranderen. Er zit een klein beetje polymeer in de gel zodat het makkelijk te printen is. We hebben ontdekt dat de polymeren tijdens het droogproces wat spanning uitoefenen op het geprinte object. Hoe hoger de temperatuur tijdens het drogen, hoe groter de krommingen in de structuur worden. Maar als het drogen langzaam gaat, bij lagere temperaturen, dan verandert de vorm niet. We kunnen dus de vorm van de structuur manipuleren, ook na het printen”, vertelt Dickey.
Dat het werkt, bewijst zijn ‘spin’. “We hebben dit proces gevisualiseerd door een metalen spin te ontwerpen met acht poten en een lichaam, die te 3D-printen en daarna onder invloed van warmte versneld te laten drogen. Het metalen dier lijkt tot leven te komen en verandert van vorm, precies zoals wij van tevoren hebben bedacht op de ontwerptafel.”
Betaalbare metaalprinter
Dickey denkt dat onderzoekers en hobbyisten al vrij snel kunnen profiteren van deze gel zonder dat ze een vermogen kwijt zijn aan materiaalkosten. Er zijn geweldige nieuwe mogelijkheden nu metalen onderdelen bij kamertemperatuur 3D-geprint kunnen worden. “Er zijn al metaalprinters op de markt, maar die werken alleen bij extreem hoge temperaturen en zijn zo duur als een vrijstaand huis. Onze techniek is simpel, werkt bij kamertemperatuur en kan voor het printen van elektronische apparaten worden gebruikt, omdat de onderdelen geleidend zijn. Op de langere termijn is 3D-printen een hele duurzame oplossing, omdat het leidt tot minder verspilling en lagere vervoerskosten. En het zorgt ervoor dat nieuwe en aangepaste onderdelen razendsnel kunnen worden gemaakt”, legt de hoofdonderzoeker uit.
Harde en flexibele eindproducten
Dickey heeft prachtige plannen voor de implementatie van zijn nieuwe technologie in de nabije toekomst. “De gels die na het printen hard worden, zouden best wel interessant kunnen zijn in de bouw, maar ook in andere sectoren zie ik nuttige toepassingen voor de harde metalen materialen. Daarnaast zien wij een toekomst voor gelrecepten waarbij het geprinte eindproduct in een flexibele gelstaat blijft. Dit zou nuttig kunnen zijn voor rekbare conductoren voor elektronische apparaten, waarbij het ideaal zou zijn als ze mechanisch bewegen, net als het menselijk lichaam”, besluit Dickey.
