Ultrasoon spraycoaten heeft de toekomst in additive manufacturing

Spraycoaten is een bekende techniek in de industrie voor het afzetten van uniforme lagen van tien tot honderd micrometer dik op vlakke substraten. Hiervoor wordt een inkt verneveld door deze onder een hoge druk van twee tot zes bar door een mondstuk te persen. De druppelgrootte van de resulterende spray varieert afhankelijk van de gebruikte druk tussen de tien micrometer en een millimeter. Hoe hoger de druk, hoe kleiner de druppels. Een van de grote nadelen van het standaard spraycoatproces is de grote variatie in druppelgrootte. Dit leidt immers tot een relatief grote variatie in laagdikte (enkele honderden nanometers op een dikte van tientallen micrometers).

Dat deze spreiding niet meteen een probleem oplevert voor micrometerdikke lagen behoeft geen verdere uitleg. De huidige trend in de coating- en printindustrie is echter dat er steeds meer nood is aan zeer dunne lagen van maximaal tientallen nanometers dik. De spreiding in de druppelgrootte en de daaraan verbonden ruwheid van de afgezette laag speelt op dat moment een zeer determinerende rol in de functionaliteit van de coating. In dit artikel presenteren we een innovatieve verneveltechnologie op basis van ultrasoontechnieken die de variatie in de druppelgrootte beperkt.

Draaikolk

Bij het ultrasoon spraycoaten laten we een dunne laag inkt over een oppervlak van de spraykop vloeien. Dit oppervlak trilt met een frequentie tussen 25 en 180 kHz. Hierdoor ontstaan staande golven in de aangebrachte inkt. De topjes van deze golven breken af en vormen de druppels van de te vernevelen vloeistof. Onder invloed van zwaartekracht of met behulp van een draaggas worden deze druppels naar het te coaten oppervlak gestuwd.

Deze manier van vernevelen, samen met de materialen waaruit de spraykop is vervaardigd, heeft enkele voordelen: een zeer grote spreiding in debiet (0,2 tot 5 ml/min), de mogelijkheid tot afzetten van materialen met een hoge dichtheid en uniforme druppels met een lage kinetische energie. Ten slotte leidt de titanium spraykop tot een zeer hoge betrouwbaarheid en een lange levensduur omdat die niet wordt aangetast door de solventenmix die dient te worden verneveld.

De uiteindelijke druppelgrootte hangt natuurlijk niet alleen af van de gebruikte ultrasone frequentie maar ook van de fysische eigenschappen van de inkt. Stroperige inkten zijn moeilijker te vernevelen dan bijvoorbeeld een waterige oplossing, hoewel in vergelijking met andere 2d-printtechnieken de span in viscositeit (1 tot 100 cP) zeer breed is.

Behalve dat de druppels worden gevormd met ultrasone atomisatie gebruiken we ook een heel aantal verschillende designs van spraykoppen, elk geschikt voor specifieke doeleinden. Een sproeikop waarbij het draaggas als een draaikolk rondom de mist wervelt zorgt voor een uniform en conisch sproeipatroon waarbij de druppels vanuit alle hoeken op het substraat neerkomen. Op deze manier kunnen substraten of onderdelen met een zeer hoge ruwheid worden gecoat. Een ander type sproeikop gebruikt een draaggas afgebogen door een deflector waardoor een mist in de vorm van een waaier ontstaat. Zo kunnen zeer grote vlakken tot wel dertig centimeter breed met één spraykop worden gecoat. Doordat de druppels allemaal loodrecht op het oppervlak landen, kunnen conforme coatings worden afgezet. Een laatste kop gebruikt het draaggas als een mantel waardoor we de mist kunnen focussen op een zeer klein oppervlak met een breedte van 100 micrometer tot 25 millimeter. Het is met deze ultrasone spraytechniek dus mogelijk om naast het coaten van grote oppervlakken ook fijne features en patronen aan te brengen, bijvoorbeeld voor applicaties in printbare elektronica.

Goud

De variëteit in afgezette inkten en dus in mogelijke functionaliteiten is ontzettend groot. Polymeeroplossingen kunnen worden gebruikt voor tal van toepassingen. De medische wereld gebruikt bijvoorbeeld ultrasoon spraycoaten om medicijnen, samen met een polymeer, af te zetten op een stent waardoor het medicijn zich zeer traag in het lichaam verdeelt. Een andere toepassing is het aanbrengen van fotoresist op een oppervlak met een 3d structuur. Aangezien de druppels in de mist een lage kinetische energie hebben, zetten ze zich op alle wanden van de 3d structuur gelijkmatig af. Tevens wordt de techniek gebruikt om bijvoorbeeld water- of vetafstotende lagen af te zetten op lenzen of andere driedimensionale oppervlakken. De mogelijkheden zijn als het ware onbegrensd en de functionaliteiten van de afgezette coatings zeer verscheiden, zolang een polymeer met de juiste eigenschap maar tot inkt kan worden verwerkt.

Ook inkten gebaseerd op nanodeeltjes behoren tot de mogelijkheden. Juist door gebruik te maken van het ultrasoon trillen van de sproeikop zullen alle druppels exact dezelfde samenstelling hebben. Hierdoor kunnen nanodeeltjes – variërend van tien tot honderden nanometers – op een zeer gelijkmatige manier worden afgezet. Het bedekken van oppervlakken met één monolaag nanodeeltjes die volledig dekkend is, behoort dus ook tot de mogelijkheden. Op de Universiteit Hasselt hebben we reeds monolagen van gouden en magnetiet nanodeeltjes afgezet voor magneto-optische toepassingen en samen met onderzoekscentrum Flanders Make en een consortium van Vlaamse bedrijven onderzoeken we momenteel het afzetten van nanodeeltjes om de slijtvastheid van boren en frezen te verbeteren.

Ook het over elkaar printen van lagen met verschillende functionaliteit behoort tot de mogelijkheden. Het afzetten, laag voor laag, van complete organische zonnecellen of organische lichtgevende toepassingen (oled) behoort tot de mogelijkheden. Het feit dat de spraykoppen kunnen worden ingebouwd in een roll-to-roll-productiefaciliteit opent de deuren naar lokale en just-in-time productie van zonnecellen, oleds en andere toepassingen.

Ruwheid

Ten slotte dient te worden vermeld dat ultrasoon spraycoaten de toekomst voor zich heeft. In tegenstelling tot bijvoorbeeld zeefdruk en het printen van gravures is het een non-contacttechniek. Daarnaast heeft het ook de troeven van het ultrasoon vernevelen. Juist door de mist van druppels die wordt gecreëerd, is integratie van de spraykop in een meerassige robot mogelijk. In combinatie met additive manufacturing kan de technologie dus relatief eenvoudig alle zijden van een 3d-geprint voorwerp bedekken, afvlakken en een extra functionaliteit geven. Het laat bijvoorbeeld toe om willekeurige oppervlakken waterafstotend te maken, de wrijvingsweerstand te veranderen of om een slijtvaste coating af te zetten. De afgezette coating kan dan uiteindelijk ook dienen om de oppervlakteruwheid – een bestaand probleem bij additive manufacturing – te verminderen waardoor de nabewerkingsstappen tot een minimum worden herleid. Dit bespaart manuele handelingen en kostbare tijd en kan de productiesnelheid voor additive manufacturing aanzienlijk doen stijgen, zeker omdat de technologie in eenzelfde productielijn als de 3d-printer kan worden ingebouwd.

De fysische afmetingen alsook de vereiste elektrische en vloeistofaanvoerlijnen zijn beperkt en daardoor is de technologie goed te integreren in huidige productielijnen voor het afzetten van eenvoudige dunne films. Waar standaard spraycoaten tegenwoordig in de industrie wordt gebruikt voor het afzetten van lagen met een dikte van tientallen micrometers zal ultrasoon spraycoaten worden toegepast om functionele coatings van tientallen nanometers af te zetten op vlakke substraten, maar in de nabije toekomst zeker ook zijn weg vinden naar de wereld van additive manufacturing als in-line productietechniek voor het afzetten van functionele coatings en features op 3d substraten.

Wim Deferme en Jeroen Drijkoningen werken op het instituut voor materiaalonderzoek IMO-Imomec van de Universiteit Hasselt en onderzoeken samen met Flanders Make de mogelijkheden voor het integreren van hun spraycoatingtechniek in additive manufacturing.