Wetenschappers van de Universiteit Twente zijn erin geslaagd om goud en koper (pure metalen met een hoog smeltpunt) 3D te printen. Het goud en koper wordt met laserlicht gesmolten tot microdruppels. Omdat metalen steviger zijn dan plastic en goed warmte en elektriciteit geleiden, kunnen er nu geheel nieuwe onderdelen en apparaten gemaakt worden. Het onderzoek is gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijke vakblad Advanced Materials.
3D printen en andere vormen van additive manufacturing zijn zeer succesvol en worden genoemd als nieuwe hoeksteen van de maakindustrie. Toch is er nog een grote slag te slaan in de 3D-printtechnieken. Momenteel worden er vrijwel alleen plastics gebruikt om te 3D-printen. Dat is jammer, want metalen zijn een stuk steviger. Daarnaast kunnen metalen goed warmte en elektriciteit geleiden, waardoor met deze materialen geheel nieuwe onderdelen en devices uit de 3D-printer kunnen rollen, zoals kleine koelers of verbindingen tussen gestapelde chips in smartphones.
Het probleem: smelten en deponeren
Het probleem is dat metalen een hoog smeltpunt hebben. Zelfs met geavanceerde apparatuur is het smelten en gecontroleerd deponeren van deze materialen daarom zeer uitdagend. “Vooral voor kleine resoluties van 100 nanometer tot 10 micrometer bestonden er nog geen goede oplossingen voor het printen van metaal”, vertelt UT-onderzoeker Claas Willem Visser.
De oplossing: focus van laser op metaalfilm
De onderzoekers van de Universiteit Twente hebben een grote stap gezet richting de oplossing hiervan. “Het is ons nu gelukt met een laser koper en goud te smelten tot micro-druppels en deze gecontroleerd neer te leggen. Hierbij wordt een gepulste laser op een metaalfilm gefocust, die vervolgens smelt en vervormt tot een druppel. De druppel wordt opgevangen op een substraat. Door dit herhaaldelijk te doen, kan er worden geprint.”
In het artikel in Advanced Materials wordt beschreven hoe duizenden druppels gestapeld worden tot micro-pilaren met een hoogte van 2 millimeter en een diameter van 5 micrometer. Ook verticale elektrodes geprint in een holte, en lijnen gemaakt uit puur koper, zijn mogelijk.
Pannenkoekvorm
Om deze 3D-structuren te kunnen printen, is een verrassend hoge laserenergie gebruikt. Hiermee wordt de snelheid van de druppels verhoogd, waardoor deze tijdens de inslag vervormen in een schijf of pannenkoek-vorm en vervolgens stollen. In eerder werk werd vaak een lage laserenergie gebruikt. Hiermee kunnen kleinere druppels worden geprint, maar de stolling is altijd bolvormig. Dat heeft een nadelige invloed op de stevigheid van de geprinte structuur. In hun artikel leggen de onderzoekers uit welke snelheid er benodigd is om de gewenste druppelvorm te bereiken. Deze snelheid is voorspeld in eerder werk van het onderzoeksteam. De resultaten zijn eenvoudig te vertalen naar andere en nieuwe metalen. Door de locatie van de inslag te beheersen, kunnen er in de toekomst ook vrijwel willekeurige vormen worden geprint.
Toekomstwens: schoon printen
Volgens Claas Willem Visser valt er op dit gebied nóg meer te bereiken. “Een probleem is nog dat de hoge laserenergie ook leidt tot druppels die naast de gewenste locatie op het substraat landen. We begrijpen nog niet voldoende hoe dit werkt en hoe we dit kunnen voorkomen. We gaan dit onderzoeken. Het uiteindelijke doel is om schoon printen in metalen, gels, pasta’s, of extreem dikke vloeistoffen mogelijk te maken.”
Meer informatie
De publicatie in Advanced Materials is het resultaat van een nauwe samenwerking tussen de Twentse vakgroepen Physics of Fluids (instituut MESA+, prof. Detlef Lohse), waar Claas Willem Visser onlangs promoveerde en nu post-doc is, en de Applied Laser Technology groep (Dr. Gert-Willem Römer), waar Ralph Pohl momenteel zijn promotie afrondt. Het onderzoek is gefinancierd door de Europese Unie en de Nederlandse natuurkundestichting FOM.
Pilaar
Referentie
Towards 3D Printing of Pure Metals by Laser-Induced Forward Transfer, Advanced Materials, 10 juni 2015.
