Nieuwe soort 3D-geprint keramiek – supersterk en foutloos

Keramiek wordt in van alles gebruikt, van straalmotoren tot Formule 1-racewagen-remmen: Keramiek is sterk. Het kan een absurd hoge warmte en druk weerstaan ​​zonder te vervormen of te breken, terwijl het met gemak fysieke en chemische aanvallen kan afslaan die metalen zouden doen roesten en kunststoffen doen verslijten.

“Het probleem is echter dat keramiek er bekend om staat dat het nogal moeilijk te verwerken is,” aldus Zak Eckel, een technicus bij HRL Laboratories in Malibu, Californië. Hitte-resistent keramiek vereist extreem hoge temperaturen om te smelten, dus het is niet eenvoudig om een methode te ontwikkelen waarmee dit 3D-geprint kan worden. Keramiek-printen was tot op heden erg beperkt qua mogelijkheden, maar Eckel en zijn team hebben nu een methode ontwikkeld waarmee eindeloos veel meer kan qua hitte en resultaten.

Hoe werkt keramiek printen via de bestaande methodes? Met een soort bindmiddel-hars worden kleine keramiekdeeltjes verlijmd. Zodra deze laagjes geprint zijn en het object er ligt, wordt het verhit in een oven en smelten de keramiekdeeltjes echt samen tot één deel terwijl de lijm oplost.

Het probleem? Je kunt alleen keramieksoorten gebruiken die bij een lage temperatuur smelten. Daarnaast kunnen die keramieken poriën en andere kleine gebreken vertonen door het onhandige proces van het creëren van één materiaal door miljoenen kleine korreltjes samen te smelten.

De benadering van Eckel verschilt hiervan op een cruciaal vlak, waardoor beide issues vermeden worden. In plaats van het samensmelten van deeltjes, maakt het team keramiek door materialen te printen die sterk op kunststof lijken. Maar als ze verhit worden in een oven, transformeren deze in keramiek.

Het team gebruikt een printer van slechts een paar duizend euro om laagjes van 100 micron dik te printen van een kunststof-achtig materiaal uit een hars. Het hars bevat alle moleculen die je nodig hebt om een sterk keramiek te vormen. Het printproces etst alle lagen van de hars met een UV-lamp die kleine moleculaire groepjes (de zogenaamde monomeren) omsmelt in lange plastic-achtige ketens, ook wel polymeren genaamd.

Zodra het pre-keramische kunststof-onderdeel is geprint, wordt het in een oven verhit en langzaam opgewarmd tot 1.000 °C onder andere met behulp van argongas. Die verhitting verbrandt in de basis alle ongewenste chemische delen die meekomen met de kunststof, waardoor er niets anders achterblijft dan een sterk onderliggend keramisch kader.

In hun eerste tests wisten Eckel en zijn team siliciumcarbide keramiek te vormen, wat nog nooit eerder 3D-geprint is. Met deze benadering kan een veelheid aan keramieksoorten geprint worden door de samenstelling van de keramische-kunststofhars aan te passen. En omdat je een keramieksoort vanaf de grond op bouwt, in plaats van gebruik te maken van het samensmelten van korrels, eindig je met een vlekkeloze keramiek, zonder poriën en van uniforme kwaliteit. Dit opent natuurlijk veel mogelijkheden voor valorisatie en certificering van onderdelen en het printen van objecten in complexe vormen voor gebruik in toepassingen die nu nog toekomstmuziek zijn.