02/09/2020
Door Ad Spijkers
Een team van het Fraunhofer-Institut für keramische Technologien und Systeme (IKTS) heeft een systeem ontwikkeld voor multi-material jetting waarmee verschillende materialen kunnen worden gecombineerd tot één enkel additief vervaardigde component.
Het systeem maakt additive manufacturing mogelijk van componenten uit meerdere materialen op basis van thermoplastische bindmiddelsystemen. Bij het zogenaamde Multi Material Jetting (MMJ) worden verschillende materialen met hun respectievelijke verschillende eigenschappen gecombineerd tot één product. De onderzoekers kunnen momenteel tot vier stoffen tegelijk verwerken. Toepassingsgebieden zijn te vinden waar bedrijven sterk geïntegreerde multifunctionele componenten met individueel gedefinieerde eigenschappen willen vervaardigen.
Van druppel tot werkstuk
De productie vindt plaats in een continu proces. Als eerste worden de poedervormige keramische of metallische uitgangsmaterialen homogeen verdeeld in een thermoplastische bindstof. De aldus verkregen massa wordt in microdoseringssystemen gegoten, waarna het eigenlijke productieproces start. In de doseersystemen worden de massa's gesmolten rond de 100°C, waardoor ze nauwkeurig gedoseerd kunnen worden.
Om een nauwkeurige positionering van de druppeltjes te bereiken, ontwikkelden de IKTS-wetenschappers speciale software. De computergestuurde doseersystemen zetten uiterst nauwkeurige druppeltjes voor druppeltjes op de juiste plaats, waardoor het onderdeel zich punt voor punt opstapelt tot 60 mm en 1000 druppels per seconde. Het systeem werkt met een druppelgrootte tussen 300 µm en 1000 μm, wat leidt tot een hoogte van de aangebrachte lagen tussen 100 µ en 200 μm. Momenteel kan maximaal 200 mm × 200 mm × 180 mm worden geproduceerd.
Doorslaggevend is de individuele dosering van de metalen of keramische materialen. Deze dosering zorgt ervoor dat het additief vervaardigde eindproduct tijdens het daaropvolgende sinteren in de oven de gewenste eigenschappen en functies zoals sterkte, thermische en elektrische geleidbaarheid krijgt.
Keramische satellietmotor
Met het nieuwe IKTS-systeem kan bijvoorbeeld een zeer complex onderdeel zoals de ontsteker in een keramische satellietmotor worden geïmplementeerd. De temperaturen in de verbrandingskamer van zo'n motor zijn extreem hoog. Hittebestendig keramiek is hiervoor een ideaal materiaal. MMJ kan worden gebruikt om een ontsteker voor de motor te produceren die direct is geïntegreerd.
De ontsteker combineert ook elektrisch geleidende en elektrisch isolerende gebieden in één enkele, robuuste component. Hiervoor zijn drie doseersystemen nodig: één voor een ondersteunend dragermateriaal dat tijdens de warmtebehandeling in de oven wordt afgebroken, een tweede voor het elektrisch geleidende en een derde voor het elektrisch isolerende onderdeel. Ook op het gebied van consumentenproducten zijn tal van toepassingen denkbaar, zoals een tweekleurige keramische horlogeband die individueel voor een klant wordt geproduceerd.
Door de hoge nauwkeurigheid en flexibiliteit van het systeem is het niet alleen geschikt voor de productie van multifunctionele componenten. De onderzoekers zouden bijvoorbeeld ook de plano's voor werkstukken van hard metaal kunnen vervaardigen. Doordat de doseersystemen nauwkeurig werken, bevinden de plano's zich al dicht bij de uiteindelijke contour en hoeven ze, in tegenstelling tot conventionele processen, nauwelijks te worden bijgeslepen.
Foto: Fraunhofer IKTS