Die driedimensionele (3D) druk, of laagvervaardiging (additive manufacturing), van bedryfsrelevante hoëverrigtingsonderdele en -produkte is deesdae 'n realiteit – veral in die vervaardiging van metaalstrukture – en word wêreldwyd vir die produksie van onontbeerlike eindgebruikonderdele benut.

Die komplekse ontwerpe wat met laagvervaardiging geskep kan word, maak dié proses besonder nuttig om produkprestasie in verskeie toepassings te verbeter. Nietemin bestaan daar soms nog twyfel oor die strukturele integriteit en langtermyn- (siklies belaaide) werkverrigting van sulke komplekse strukture.

In 'n onlangse artikel voer 'n groep internasionale navorsers egter aan dat ons kundigheidsbasis dermate uitgebrei het dat ons van die grootste uitdagings kan oorkom in die grootskaalse kommersiële produksie van bedryfsrelevante hoëverrigtingsonderdele en -produkte wat hierdie tipe strukture bevat. Dié omvattende artikel, waaraan prof Anton du Plessis van die Universiteit Stellenbosch (US) help skryf het, het onlangs in die invloedryke vaktydskrif Materials Science and Engineering: R: Reports verskyn.

Prof Du Plessis, leier van die US se 3D Innovation-navorsingsgroep, sê vermoeidheidsprestasie (fatigue performance) is een van die vernaamste uitdagings: “'n Behoorlike begrip van vermoeidheidsprestasie stel ons in staat om potensiële probleme die hoof te bied, wat moontlikhede skep om hierdie tegnologie ook in etlike ander toepassings te gebruik."

Du Plessis, 'n medeprofessor in die US se Departement Fisika, het met navorsers van Noorweë, Italië en die Verenigde State saamgewerk aan die artikel oor die meganiese eienskappe en vermoeidheidsprestasie van sellulêre metaalstrukture wat deur laagvervaardiging geskep word. Hierdie strukture bied heelwat voordele, maar kan verder verbeter en geoptimaliseer word wat meganiese werkverrigting betref. Die artikel bevat waardevolle insigte in dié verband vir die vervaardiging van vermoeidheidstolerante sellulêre strukture.

Du Plessis verduidelik: “Vermoeidheid is die algemeenste falingsmeganisme in die meeste strukture. Dit word veroorsaak deur voortdurende belading en ontlading, wat mettertyd krake laat ontstaan. Daarom is dit veral belangrik om vermoeidheid by hoëverrigtingsonderdele, soos dié in vliegtuie, motors en mediese inplantings, te voorkom. Vermoeidheidsfaling kom dikwels voor weens defekte, mikrostrukturele foute, naspanning, ru oppervlakke en, soos wat die artikel ook uitwys, stutverbindings in traliestrukture."

Voorkom vermoeidheidsfaling

Die artikel toon dat die doeltreffende gebruik van hierdie ligte hoëverrigtingstrukture afhang van 'n behoorlike begrip van die ontwerpparameters, die materiaal en die vervaardigingsparameters om goeie meganiese eienskappe te verkry, verduidelik Du Plessis.

“Tegnologiese uitdagings het tot dusver produksiegehalte benadeel, wat twyfel gesaai het oor die wydverspreide gebruik van hierdie strukture. Dít sluit in defekte onderdele, gebrekkige hegting, swak oppervlakafwerking, naspanning en verwringing. Maar daar is bewys dat uitstekende eienskappe verkry kan word deur ál bogenoemde faktore in ag te neem, en dat sekere sellulêre strukture meer geskik is om hoë vermoeidheidsprestasie te bereik.

“Ons glo die toenemende kundigheidsbasis op dié gebied sal lei tot 'n beter begrip van hierdie metamateriale, en veral van hoe om die beste werkverrigting daaruit te kry, wat verskeie nuwe toepassings tot gevolg sal hê. Dit is net 'n kwessie van tyd voordat 'n hele klomp nuwe toepassings van hierdie strukture in verskillende bedrywe en areas bekend gestel word," sluit Du Plessis af.

Wat is laagvervaardiging?

Laagvervaardiging, oftewel vervaardiging met behulp van 3D druktegnologie, is 'n algemene term wat verwys na die proses om materiale laag vir laag saam te voeg om voorwerpe direk uit 3D modeldata te vervaardig. Termiese energie of lasers word ook soms gebruik.

Laagvervaardiging van metaalstrukture word op groot skaal in 'n aantal bedrywe gebruik. Dít sluit in die motor-, ruimtevaart-, sport- en biomediese bedryf, waar betroubare, vermoeidheidstolerante en sterk dog liggewigmateriale 'n belangrike vereiste is.

Dié vervaardigingsproses maak dit moontlik om poreuse sellulêre strukture, of traliestrukture, te skep. Hierdie komplekse strukture kan pasgemaak word om aan unieke meganiese of ander werkverrigtingsvereistes te voldoen, en hou etlike voordele in, waaronder 'n groot oppervlakte, lae massa, 'n reëlmatige, herhalende struktuur, sowel as oop ruimtes wat aan mekaar verbind is. Met laagvervaardiging kan die mikro-ontwerp van dié strukture akkurater beheer word om optimale vorm, gewig, styfheid en sterkte te verkry.

Hierdie strukture is veral nuttig vir langtermyn- mediese inplantings (van 'gewone' knie- en heupvervangings tot pasgemaakte pasiëntspesifieke beeninplantings), sowel as vir liggewigkomponente in die motor- en ruimtevaartbedryf. Dít is dan ook tans die vernaamste bedryfstoepassings.

Sellulêre strukture is besonder geskik vir die vervaardiging van komplekse, geïndividualiseerde mediese inplantings omdat dit liggewig en duursaam is en voorsiening maak vir beengroei deur die poreuse metaalstruktuur, wat tot stewiger hegting en 'n hoër suksessyfer lei. Hierdie doelontwerpte sellulêre strukture sal nog tot heelwat nuwe toepassings lei. Daar is reeds interessante en belowende ontwikkelings vir moontlike toepassings op die gebied van vloeistofvloei- en termiese beheer in hoëverrigtingsingenieurstoestelle. – Prof Anton du Plessis

Op die foto bo: Sellulêre strukture, wat ook as “traliestrukture" of “metamateriale" bekend is, is komplekse ontwerpe wat deur laagvervaardiging geskep word. Op die foto hierbo is 'n aantal traliekubusse van titaan wat met 3D druktegnologie by die Sentrale Universiteit vir Tegnologie (SUT) in Bloemfontein vervaardig is. Foto: SUT.

• Die artikel “Architected cellular materials: A review on their mechanical properties towards fatigue-tolerant design and fabrication" het in Materials Science and Engineering: R: Reports (2021; 144: 100606) verskyn, en is aanlyn te kry by https://doi.org/10.1016/j.mser.2021.100606.
• Kontak prof Du Plessis gerus vir toegang tot 'n elektroniese pdf-weergawe van die artikel.

Media-onderhoude

Prof Anton du Plessis

3D Innovasie-navorsingsgroep, Departement Fisika, Universiteit Stellenbosch

E-pos: anton2@sun.ac.za

Tel: +27 21 808 9389