ECN print metalen producten met hoge kwaliteit

ECN presenteerde onlangs op de Precisiebeurs nieuwe ontwikkelingen, welke de kwaliteit van metalen vormstukken die via additive manufacturing worden geproduceerd sterk verbeteren. Het energie-onderzoeksinstituut is er in geslaagd het effect van het laserlicht op de metaalpoeders waaruit de producten worden opgebouwd beter te controleren, met als gevolg een betere microstructuur en een gladder oppervlak. ECN wil deze ontwikkelingen gaan vermarkten via een spin-off, die met behulp van de nieuwe inzichten producten gaat 3D-printen.

ECN heeft al decennia ervaring met poedermetallurgisch vormgeven. Deze techniek werd aanvankelijk ingezet voor de productie van keramische producten ten behoeve van eigen onderzoek. Al jaren richt ECN zich echter ook op andere sectoren. Door de opkomst van additive manufacturing technieken zag ECN opnieuw mogelijkheden kennis in te zetten voor het benutten van marktkansen op andere terreinen.  Het onderzoeksinstituut (vestigingen in onder andere Petten en Eindhoven) ontwikkelde samen met Formatec Ceramics een Digital Light Processing techniek voor het printen van keramiek. Hierbij wordt keramisch materiaal, vermengd met een fotopolymeer, laagje voor laagje belicht en uitgehard. Vervolgens brandt men het fotopolymeer uit het product. Na een sinterbehandeling is het keramische product klaar voor gebruik. Admatec Europe maakt inmiddels gebruik van dit proces voor de levering van producten.
Daarnaast houdt ECN zich ook bezig met de Selective Laser Melting techniek, waarbij objecten laagsgewijs worden opgebouwd door het versmelten van poeder.

Licht dringt diep binnen
ECN verwacht veel van de additive manufacturing technieken, als alternatief voor traditionele vormgevingstechnieken zoals spuitgieten en verspanen. Want deze technieken maken nieuwe toepassingen mogelijk. Keramiek is echter een kleine markt en daarom richt ECN zich ook de veel grotere markt voor metalen. Maar daarvoor moeten de technieken wel doorontwikkeld worden, want voor metalen producten levert additive manufacturing vooralsnog producten op met een ruw oppervlak, interne spanningen en een matige microstructuur. Juist daarvoor komt ECN nu met oplossingen, zowel voor DLP als voor SLM. Bas van Bree, business development manager bij ECN, zegt hierover: “Bij Digital Light Processing is het relatief eenvoudig om voldoende licht in te brengen in translucent keramiek, want daarin dringt licht makkelijk binnen. Heel anders is dat bij metalen. Daar is de uitdaging het licht voldoende diep in het metaal te krijgen. Daar zijn wij nu in geslaagd. Hierdoor is ook voor metaal een zeer hoge resolutie binnen bereik gekomen.”
Het resultaat is zichtbaar onder een elektronenmicroscoop: waar met een ‘gewone’ printer  de individuele delen nog duidelijk zichtbaar zijn, de microstructuur niet uniform, de porositeit groot en de spanning in het materiaal hoog is, daar hebben de met de ECN-techniek geprinte producten een betere microstructuur, een betere oppervlakteruwheid en zijn ze vrij van spanning. Van Bree: “Hierdoor is geen of  minder nabewerking nodig en komen ook andere toepassingen in beeld, bijvoorbeeld onderdelen met optimaal ontworpen inwendige koelkanalen of microreactoren.

Laserlicht beter controleren
Ook voor het SLM proces – met een identieke problematiek bij metalen – heeft ECN een oplossing ontwikkeld. “Bij SLM brengt de laser lokaal heel veel energie in. Door onze materiaalkundige kennis en onze kennis van lasers – we weten hoe licht zich in materiaal gedraagt – zijn we er in geslaagd een methode te bedenken om de inbreng van het laserlicht beter te controleren, zodat je minder energie hoeft in te brengen en deze ook gelijkmatiger inbrengt.”

Vanuit ECN Eindhoven wordt verder gewerkt het verder perfectioneren van de technieken. Tegelijkertijd is het onderzoeksinstituut al plannen aan het maken voor een spin-off, zoals met Admatec is gebeurd voor keramiek. Deze spin-off zal met gebruik van de nieuwe techniek metalen producten gaan maken voor de markt en daarbij partners zoeken voor specifieke toepassingen.
De technieken van ECN zijn uniek en producenten van metaalprinters zullen er ongetwijfeld belangstelling voor hebben. “Als dat zo is gaan we graag met hen in gesprek”, aldus Van Bree. “Maar het is nog te vroeg om het proces zelf te gaan vermarkten. Daarvoor moet het echt uitontwikkeld zijn.”