3d-jetten tot 1800 graden
Rond de metaaljettechnologie van Océ ontwierp Demcon een 3d-printer voor metalen. Met de eerste machine onderzoekt de universiteit van Nottingham nu welke applicaties het beste aansluiten bij de voordelen die Metaljet als technologie biedt. De partijen hebben hoge verwachting. Volgens Demcon-directeur Dennis Schipper ligt er zelfs een nieuwe oem in het verschiet.
Deze zomer toonde de universiteit van Nottingham voor het eerst in het openbaar een inkjetprinter voor metalen. De printkoppen werken tot een temperatuur van 1800 graden Celsius en kunnen on demand drieduizend kleine metaaldruppeltjes per seconde afvuren. De machine is uitgerust met vier koppen waardoor de Britse onderzoekers vier verschillende metalen door elkaar kunnen gebruiken. Ze hebben tot nu toe de keus uit goud, zilver, koper, tin en silicium. Volgens onderzoeksleider Richard Hague van de Nottinghamse Additive Manufacturing and 3D Printing Research Group (3DPRG) is de Metaljet-technologie een grote stap voorwaarts naar de droom om echte elektronische componenten en apparaten te 3d-printen. De metaaljettechnologie is een ontwikkeling van Océ. Demcon bouwde een werkende jetmachine.
In de basis lijkt het jetten van metaal veel op het jetten van inkt. ‘Hoe reageert een druppel op het substraat? Hoe is de druppelvorming? Wat is een handige printstrategie om een plaatje of 3d object te maken? Dat zijn vragen die je in beide gevallen moet beantwoorden’, zegt Tys van Elk, vicepresident voor strategie en projecten bij Océ en betrokken bij alle metaaljetactiviteiten van de Canon-dochter.
Er zijn ook een paar fundamentele verschillen die maken dat de Metaljet-printer een unieke machine is; geen andere partij is erin geslaagd een dergelijke technologie zodanig onder controle te krijgen dat zij geschikt is voor onderzoeksdoeleinden en zelfs voor productie. ‘Bij normaal inkjetten start je met een vloeistof. Met een piëzo-element, een mems of een thermisch element duw je steeds een druppeltje door een nozzle naar buiten. De strijd op dat gebied gaat over meer nozzles en steeds kleinere druppeltjes’, vertelt Van Elk. ‘Bij Metaljet begint het met een vaste stof. Die moet eerst worden gesmolten. Dat maakt de fysica volledig anders. Een inkjetkop opereert typisch op hooguit 170 graden Celsius. In de Metaljet-koppen ligt de temperatuur tot ruim tien keer zo hoog.’
Pingpongballetjes
Daar komt bij dat de gebruikelijke doseertechnieken niet werken bij zulke hoge temperaturen. ‘In het verleden hebben andere partijen wel eens geprobeerd om het gesmolten metaal met een piëzo uit een nozzle te duwen’, weet directeur Toon Hermans van de Eindhovense Demcon-vestiging, die het grootste deel van de machine-engineering voor haar rekening heeft genomen. ‘Een piëzo is uiteraard niet bestand tegen zulke hoge temperaturen, dus er moest een keramisch drijfstangetje tussen. Dat is echter niets geworden.’
Océ heeft dat opgelost door handig gebruik te maken van de lorentzkracht. Door de richtingen van een krachtige magneetveld en stroompulsen goed te kiezen, ontstaan er neerwaartse krachten in de nozzle die het gesmolten metaal naar buiten duwen. ‘Dat is een stuk ingewikkelder te realiseren dan het relatief kleine pulsje dat nodig is in een inkjetnozzle’, stelt Van Elk, die vertelt dat Océ het werkingsprincipe voor het eerst aantoonde met een soldeerbout, een magneet en een functiegenerator. ‘We zetten er een veld op met stroompulsjes en zagen de druppels omhoog vliegen.’
Na dat eerste experiment zo’n tien jaar geleden heeft Océ er lang over gedaan om de technologie te vervolmaken. ‘We moesten onder meer uitvinden in welke vorm we het moesten doen en hoe we het proces stabiel en betrouwbaar konden krijgen. Pas als de prestaties constant zijn, wordt het immers interessant voor industriële toepassingen’, stelt Marcel Slot, projectleider en trekker van de metaaljetactiviteiten binnen Océ. ‘Ook de interactie tussen de druppels en het substraat moesten we onder de knie krijgen. Bij de eerste proefjes zag je de druppeltjes als pingpongballetjes wegstuiteren.’ Een aantal van die ontwikkelingen deed Océ onder de vlag van het Inkjet Application Center, een gezamenlijke onderzoeksfaciliteit voor inkjettechnologieën. Océ onderzocht ook de mogelijke printstrategieën. ‘Je kunt de druppels snel achter elkaar afvuren. Dan krijg je een mooie rechte lijn. Als je wat langer wacht, kun je bolletjes naast elkaar deponeren. Zo beïnvloed je de eigenschappen van bijvoorbeeld een geprinte lijn’, aldus Slot.
Op het moment dat Océ het laagste technology readiness level had bereikt, ging het op zoek naar een partner om te kijken wat de beste toepassing voor de technologie zou kunnen zijn. ‘Omdat de ontwikkeling in zo’n vroeg stadium zat, vonden we het verstandig om met een academische partij in zee te gaan’, verklaart Van Elk. Dat werd dus de universiteit van Nottingham. De Engelsen wilden echter niet alleen een printkop kopen, maar drongen aan op een complete machine waarmee ze onderzoek kunnen doen. De Venlonaren gingen daarom op zoek naar een partij die een goede researchtool kon maken rondom zijn metaaljettechnologie.
Begin 2013 bereikte Océ overeenstemming met Demcon. Van Elk: ‘Demcon is een van de weinige partijen die een verbinding kan leggen tussen een technologie en een daadwerkelijke machine. Ze zijn heel goed in staat om zo’n eerste machine te maken. En wel op zo’n manier dat het de mogelijkheid biedt vervolgmachines te bouwen. Het is nu een one-off maar wel met de gedachte dat het verder moet. Wij hebben de printkoppen geleverd plus de condities waaronder ze moeten functioneren. Demcon heeft daar een machine voor gebouwd die voldoet aan alle eisen.’
Gloeilampen
De vier printstations in de Metaljet-machine hebben allemaal hun eigen thermische camera als sensor. ‘Daarnaast bevat het systeem nog een camera om te kijken naar het geprinte resultaat. Deze alignmentcamera is ook belangrijk voor de kalibratie van het systeem’, legt Hermans uit. ‘Het eerste druppeltje moet immers precies op het tweede vallen.’ Het Enschedese Focal ontwierp hiervoor een speciale camera. Zeker in een researchomgeving zoals bij de universiteit van Nottingham is het essentieel dat de onderzoekers alle mogelijkheden krijgen om het proces te volgen en parameters in te stellen. Zo kan het printproces worden onderbroken om met de dropwatcher het jetproces te controleren en eventueel te tunen.
Het substraat schuift onder de printkoppen door op een geavanceerde xyz-stage van het Amerikaanse Aerotech. Bewegingen in de z-richting zijn nodig om de afstand tussen de nozzle en het substraat te kunnen aanpassen bij elke volgende printlaag. De stage heeft een nauwkeurigheid van een micron en haalt snelheden tot dertig centimeter per seconde. Océ en Demcon kunnen hiermee een druppelprecisie van vijf micrometer garanderen.
Demcon had bij het ontwerp van de Metaljet-machine twee grote uitdagingen. Ten eerste de temperatuurhuishouding. De printkoppen zijn immers serieuze warmtebronnen. Van Elk: ‘Als je het licht uitdoet terwijl de machine draait, zie je ze gloeien als gloeilampen.’ Demcon heeft dat opgelost met twee grote chillers. Hermans: ‘Het printvlak zelf mag ook weer niet te koud worden, anders kaatsen de metaaldruppels terug. De temperatuur van het substraat kan worden ingesteld tot een maximum van vijfhonderd graden. Even daaronder, bij de stage, is dertig graden echter de maximaal toelaatbare temperatuur. We hebben een speciale legering gevonden die bestand is tegen die temperatuurverschillen. De verbinding van de hete substraatdrager met het koude deel van de stage is opgelost met stangetjes. Dat doen we zodanig dat het midden van het substraat ook het midden blijft als de temperatuur verandert.’
Ten tweede moet het jetten gebeuren in een inerte atmosfeer. Dit om oxidatie te voorkomen. Demcon heeft een kamer om de printkoppen en de stages gebouwd die het vult met inert gas. Dat klinkt eenvoudiger dan het is. ‘We wilden het niet doen door de kamer eerst vacuüm te trekken en hem daarna te vullen met een edelgas – de gebruikelijke methode. Dat zou een veel te grote, lompe machine opleveren’, legt Hermans uit waarom deze eis behoorlijk wat engineeringwerk opleverde. ‘Het bereiken van de noodzakelijke lage zuurstofconcentratie – 1 tot 10 ppm – was een nieuwe uitdaging waarvan we veel hebben geleerd.’
Hermans benadrukt dat de huidige machine een researchset-up is. ‘We hebben lang niet alles geoptimaliseerd. Kan het simpeler, dunner, goedkoper? Vast, maar nu was het belangrijk dat ze in Nottingham snel aan de slag konden. We hebben nog genoeg ideeën voor mogelijke optimalisatieslagen.’ Een van de verbeterpunten is de capaciteit van de cartridges, zoals de verwisselbare houders van het metaal in de printkoppen worden genoemd. Er zit nu een paar kubieke centimeter gesmolten metaal in het reservoirtje. ‘Daar kun je typisch een paar uur mee vooruit’, weet Van Elk. ‘Wil je commercieel de markt op, dan moet dat omhoog.’
De cartridges hebben sowieso Océs aandacht. Het bedrijf hanteert namelijk een koffiecapsulemodel: het wil niet alleen de machines verkopen, maar vooral cartridges. ‘Het beste is om zo’n Metaljet-cartridge in één keer leeg te jetten. Als het metaal eenmaal gesmolten is, wil je het niet weer laten stollen. We zouden dan niet kunnen garanderen dat de opening nog goed functioneert’, aldus Van Elk. Heel groot zullen de vullingen dus ook niet worden. ‘Als uiteindelijk blijkt dat we bij een applicatie uitkomen waar liters per uur moet worden verwerkt, dan zullen we een ander toevoermechanisme moeten uitwerken.’ De eerste ideeën hiervoor liggen al op de plank.
Nieuwe oem
Met Metaljet zijn grofweg dezelfde applicaties te bedienen als met de meer bekende additive manufacturing-technologie voor metalen: selective laser sintering (sls). ‘Het voordeel van Metaljet is dat het direct depositioning is’, zegt Slot. ‘Je hoeft dus geen poeder te verzamelen en te regenereren. Dat heeft bijvoorbeeld als voordeel dat je onze machine ook in een cleanroom kunt gebruiken. Dat hoef je met een sls-systeem niet te proberen.’ Metaljet maakt het bovendien mogelijk meerdere materialen te combineren en er zijn geen dure lasers nodig die de maximale grootte van het object beperken.
De voordelen van Metaljet komen bij verschillende applicaties goed van pas. ‘Je zou er bijvoorbeeld minuscule metalen connectoren tussen chips mee kunnen leggen. De technologie is ook interessant voor producenten van zonnecellen en geprinte elektronica, en zelfs voor sieraadontwerpers’, somt Van Elk op. ‘In industriële toepassingen zit de groei, niet de hype. Ik verwacht veel behoefte aan 3d-printers voor metaal en multimetaal.’
Welke applicaties het uiteindelijk gaan redden, durven Océ en Demcon nog niet te zeggen. Hermans: ‘Het zal in ieder geval een toepassing zijn waar je veel toegevoegde waarde haalt uit het feit dat je metaal nauwkeurig kunt deponeren. Voor grotere volumes is de technologie minder geschikt. Dan moeten we naar veel meer nozzles en grotere cartridges. Voor mij blijft geprinte elektronica een belangrijke kandidaat.’
Veel hangt af van de wetenschappers in Nottingham. Met commerciële partijen gaat de Britse universiteit verschillende applicaties onderzoeken. ‘Researchleider Richard Hague houdt nog een beetje onder de pet waar hij heen wil’, zegt Demcon-directeur Dennis Schipper. ‘Vooral omdat hij eerst over de resultaten wil publiceren.’
Dat is ook de samenwerkingsconstructie die de drie partijen zijn aangegaan. De universiteit van Nottingham is de launching customer en legt een bedrag op tafel voor de machine. Als tegenprestatie hebben Hague en zijn collega’s tijdelijk exclusief publicatierecht. Hoe lang de Britse onderzoekers dat recht hebben, wil Van Elk niet zeggen, ‘maar het is lang genoeg voor een academisch instituut om interessant te zijn’.
‘Nottingham is perfect om onze potentiële klanten te overtuigen, maar die exclusiviteit moet eindig zijn omdat wij en Demcon graag meer machines willen vermarkten’, legt Van Elk de spagaat uit. Hij is daarom trots dat het is gelukt om alle neuzen dezelfde kant op te krijgen. ‘Ik zie zo’n driehoeksconstructie ook als een interessant model voor toekomstige projecten.’
De investering uit Nottingham was niet voldoende om alle ontwikkelkosten af te dekken. Demcon heeft daarom zelf ook geïnvesteerd in de ontwikkeling van de machine. En Océ steekt natuurlijk al jaren geld in zijn Metaljet-activiteiten. ‘Dat doen we natuurlijk omdat we denken dat dit een kansrijke technologie is. Op termijn zou dit wel eens een mooie, nieuwe Nederlandse oem kunnen opleveren’, glimlacht Schipper, maar hij meent het serieus. ‘Omdat we de killerapplicatie nog niet hebben, kunnen we het niet afbeelden op een markt. Daardoor is het lastig om te zeggen hoeveel machines we per jaar zouden kunnen verkopen. Maar potentie is er ontegenzeggelijk. Een wereldvermaard instituut als in Nottingham is dan de ideale springplank.’
