Multimateriaal 3D-printen met keramiek en metaal: KIT ontwikkelt nieuw bindersysteem

Aan het Karlsruher Institut für Technologie is een 3D-printproces ontwikkeld waarmee meerdere materialen binnen één additief productieproces kunnen worden verwerkt. Het gaat vooral om combinaties van keramische materialen en in een verder stadium ook metaal-keramiekcombinaties. De ontwikkeling richt zich op het vereenvoudigen van het proces en het verbeteren van de materiaalovergangen in het eindproduct.

Multimateriaal 3D-printen is al langer onderwerp van onderzoek en ontwikkeling. In de praktijk worden verschillende materialen vaak nog in afzonderlijke processtappen of met meerdere systemen verwerkt. Dat leidt tot beperkingen in ontwerpvrijheid en tot uitdagingen bij de hechting tussen materialen.

Een belangrijk knelpunt is de overgangszone tussen twee materialen. Verschillen in krimp, thermische uitzetting of chemische eigenschappen kunnen leiden tot spanningen of zwakke interfaces in het eindproduct.

Eén bindersysteem als uitgangspunt

De aanpak van het Karlsruher Institut für Technologie richt zich op het gebruik van een uniform bindersysteem binnen een vat-gebaseerd 3D-printproces (Vat-fotopolymerisatie). Hierbij wordt een lichtgevoelige hars gebruikt waarin keramische of metaaldeeltjes zijn opgenomen. Door lokaal te belichten wordt het materiaal uitgehard. Het bindersysteem maakt het mogelijk om verschillende materiaalcomposities binnen één proces te combineren, zonder dat het printproces telkens hoeft te worden aangepast.

Volgens de onderzoekers is vooral de integratie van verschillende materiaaltypes binnen één processtroom relevant voor verdere opschaling naar industriële toepassingen.

Materiaalcombinaties en interfaces

De nadruk ligt in het onderzoek op keramische multimateriaalonderdelen. In een later stadium wordt ook de combinatie van keramiek en metaal verkend. Dat type combinaties is in 3D-printprocessen complex, onder andere vanwege verschillen in materiaalgedrag tijdens en na het sinterproces.

De benadering van KIT is erop gericht om de hechting tussen de verschillende materiaalzones te verbeteren door het gebruik van een consistent bindersysteem. Daarmee wordt de interface niet gevormd door een afzonderlijke verbindingsstap, maar als onderdeel van het printproces zelf.

Ontwerpmogelijkheden in één onderdeel

Door het combineren van materialen binnen één print kunnen onderdelen worden ontworpen met lokaal verschillende eigenschappen. Denk aan zones met hogere slijtvastheid gecombineerd met gebieden die juist flexibiliteit of demping vereisen.

Dit maakt het mogelijk om functies te integreren in één component, in plaats van meerdere onderdelen te assembleren. Voor de industrie kan dit relevant zijn voor toepassingen waar complexe belastingsprofielen optreden.

Toepassingsgebieden

De onderzoekers noemen toepassingen in onder meer de machinebouw, medische technologie en de lucht- en ruimtevaart. Ook worden mogelijke toepassingen genoemd in elektronische systemen, waar materialen met verschillende elektrische of isolerende eigenschappen in één component kunnen worden geïntegreerd.