Nieuwe gasmengsels optimaliseren 3D-metaalprintproces

Binder jetting is een 3D-printtechniek die werkt als een inkjetprinter, maar in plaats van inkt en papier wordt een vloeibaar bindmiddel gebruikt om dunne lagen metaalpoeder aan elkaar te lijmen. Door de gassen te verfijnen, komt de productiemethode nu dichter bij industriële toepasbaarheid.

Chalmer’s PhD-student Kai Zissel ontwikkelt deze opkomende 3D-printtechnologie. Hij onderzoekt hoe verschillende gassamenstellingen tijdens het uitharden, ontbinden en sinteren de uiteindelijke kwaliteit van het onderdeel, de zuiverheid van het materiaal en de mogelijkheid om het poeder te recyclen beïnvloeden.

Na het printen, wordt een onderdeel namelijk uitgehard en in een oven geplaatst waar het wordt verhit om het bindmiddel te verbranden en het poeder tot vast metaal te versmelten.

‘Mijn onderzoek richt zich voornamelijk op verwerkingsatmosferen. Hoe kunnen we het bindmiddelspuitproces verbeteren met behulp van aangepaste atmosferen of gasmengsels? Een van de belangrijkste bevindingen tot nu toe is dat we door de hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer tijdens het ontbindingsproces aan te passen, het bindmiddel effectief kunnen verwijderen en oxidatie van het poeder kunnen verminderen, terwijl de sterkte van de bruine delen behouden blijft.’

Het belang van de verwerkingsatmosfeer tijdens deze stappen wordt volgens Zissel vaak over het hoofd gezien. ‘We kunnen echter aantonen dat we door het gebruik van specifieke gasmengsels het hele proces, van printen tot warmtebehandeling, kunnen verbeteren, wat resulteert in een veel betere kwaliteit van het onderdeel.’

Specifieke gasmengsels

Uitharding aan de lucht kan bijvoorbeeld oxidatie van het poeder veroorzaken, waardoor hergebruik van het poeder moeilijk wordt. Het gebruik van inerte atmosferen tijdens het uitharden voorkomt dit. Een ander voorbeeld is het ontbindingsproces, waarbij inerte atmosferen bindmiddelresten achterlaten die de uiteindelijke kwaliteit van het onderdeel beïnvloeden. Reactieve gassen zoals waterstof zijn beter voor het verwijderen van het bindmiddel, maar waterstof brengt veiligheidsrisico’s met zich mee. ‘Door een verlaagd zuurstofgehalte in de ontbindingsatmosfeer te combineren met sinteren met inerte gassen zoals argon, kunnen we materiaaleigenschappen bereiken die dicht in de buurt komen van die verwerkt met waterstof. Als we het ontbinden in een op maat gemaakt gasmengsel combineren met sinteren in waterstof, kunnen we de materiaaleigenschappen nog verder verbeteren.’

Van onderzoek naar toepassing

Pierre Forêt, Global Associate Director Additive Manufacturing bij Linde (marktleider op het gebied van industriële gassen) en Zissel’s industrieel supervisor, benadrukt de praktische impact van dit onderzoek. ‘Kai’s onderzoek heeft ons waardevolle inzichten gegeven in een zeer jonge technologie. Dankzij dit onderzoek hebben we nu een gasproduct dat eindgebruikers kan helpen hun bindmiddelspuitproces te verbeteren. We hebben de juiste oplossing ontwikkeld en de verwachting is dat de acceptatie de komende jaren zal toenemen. De volledige impact van dit onderzoek zal steeds duidelijker worden naarmate de technologie zich verder ontwikkelt.’