Liquid-metal-jetting: 3D-printen met druppels gesmolten metaal
Stel je een gewone inkjetprinter voor: die spuit piepkleine druppeltjes inkt op papier om een tekening te maken. Liquid-metal-jetting werkt in de kern hetzelfde, met één groot verschil: in plaats van inkt spuit de printer piepkleine druppeltjes gesmolten metaal, meestal aluminium van zo'n 700 graden Celsius. Laag voor laag stapelen die druppeltjes zich op tot een driedimensionaal metalen object, zonder dat er een mal, gietvorm of frees aan te pas komt.
Het is een van de nieuwere technieken binnen metaal-3D-printen (ook wel additive manufacturing genoemd, oftewel 'productie door toevoegen' in plaats van 'weghalen' zoals bij frezen). Waar de meeste industriële metaalprinters werken met een bed van fijn metaalpoeder dat laag voor laag wordt gesmolten met een laser, gebruikt liquid-metal-jetting gewoon metaaldraad als grondstof, zoals lasdraad. Dat maakt de techniek in potentie goedkoper en simpeler, al is ze ook nog volop in ontwikkeling.
Wat is het precies?
Het proces begint met een spoel metaaldraad, vergelijkbaar met de draad die in lasapparaten wordt gebruikt. Die draad wordt in de printkop naar binnen gevoerd en daar verhit tot boven het smeltpunt, zodat er een klein reservoir gesmolten metaal ontstaat.
Vanuit dat reservoir wordt het metaal in piepkleine, zeer nauwkeurige druppels naar buiten geduwd. Bij de bekendste toepassing van deze techniek gebeurt dat met een elektromagnetische puls: een korte, gerichte magnetische kracht duwt telkens een minuscuul druppeltje vloeibaar aluminium door een nauwe opening, ongeveer zoals een inkjetprintkop met een drukpulsje een inktdruppel wegschiet. Elke druppel is zo klein dat er honderden per seconde kunnen worden afgevuurd.
De druppels landen op een bewegend platform en stollen bijna onmiddellijk weer tot vast metaal. Door het platform en de printkop ten opzichte van elkaar te bewegen, ontstaat laag voor laag een driedimensionale vorm, precies zoals bij andere 3D-printtechnieken met kunststof, maar dan met metaal.
Omdat gesmolten aluminium bij blootstelling aan zuurstof direct een oxidelaagje vormt (vergelijkbaar met de manier waarop ijzer roest, maar dan sneller en bij hoge temperatuur), vindt het hele proces plaats in een inerte atmosfeer: een afgesloten kamer gevuld met een gas zoals argon dat niet reageert met het gesmolten metaal. Zonder die maatregel zouden de druppels niet goed aan elkaar hechten en zou het eindproduct broos worden.
Het is belangrijk liquid-metal-jetting niet te verwarren met een andere, vaak gelijknamig klinkende techniek: binder jetting, zoals HP's 'Metal Jet'. Daarbij wordt geen gesmolten metaal gebruikt, maar fijn metaalpoeder dat laag voor laag met een lijmachtig bindmiddel aan elkaar wordt 'geprint', waarna het geheel in een oven wordt gebakken (gesinterd) tot een vast object. Beide technieken gebruiken het woord 'jetting' en lijken oppervlakkig op elkaar, maar de onderliggende fysica en machines zijn compleet verschillend.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van liquid-metal-jetting is snelheid. Omdat er geen fijn poederbed hoeft te worden opgebouwd en weer afgeruimd, en omdat metaaldraad als grondstof relatief goedkoop en overal verkrijgbaar is, hopen ontwikkelaars dat onderdelen sneller en goedkoper te maken zijn dan met gevestigde technieken als selectief lasersmelten (ook wel SLM of DMLS genoemd), waarbij een laser poederdeeltjes een voor een aan elkaar smelt.
Er is ook een veiligheidsargument. Fijn metaalpoeder, zoals gebruikt bij poederbed-technieken, is brandbaar en kan onder bepaalde omstandigheden zelfs explosiegevaar opleveren; het vraagt om strikte procedures voor opslag en verwerking. Metaaldraad heeft dat risico niet, wat de techniek in theorie geschikter maakt voor omgevingen waar minder gespecialiseerd personeel of apparatuur beschikbaar is.
Daarnaast is er de ambitie om onderdelen te kunnen printen op de plek waar ze nodig zijn, in plaats van ze te bestellen bij een fabriek en te wachten op levering. Denk aan een reserveonderdeel voor een machine op een schip midden op zee, of in een afgelegen fabriek: als je zo'n onderdeel binnen een dag zelf kunt printen in plaats van er weken op te wachten, bespaart dat tijd, voorraadkosten en logistieke rompslomp.
Voorbeelden uit de praktijk
De bekendste commerciële toepassing is de ElemX-printer van Xerox. Xerox, van oorsprong bekend van kopieerapparaten, investeerde rond 2019 in het Amerikaanse start-up bedrijf Vader Systems, dat een eigen variant van deze techniek had ontwikkeld onder de naam 'MagnetoJet'. Xerox bouwde dit door tot een commercieel product en bracht de ElemX rond 2020-2021 op de markt, gericht op het printen van aluminium onderdelen en gereedschap.
De Amerikaanse marine (US Navy) heeft de ElemX-printer getest aan boord van een schip, ergens rond 2021-2022, om te onderzoeken of bemanningen zelf reserveonderdelen konden printen tijdens een missie in plaats van te wachten op bevoorrading. Het ging om een kleinschalige pilot met relatief eenvoudige onderdelen, geen vervanging van reguliere bevoorradingsketens, maar wel een concrete test van 'on-demand' printen op locatie.
Ook autofabrikant General Motors heeft de ElemX ingezet, in dat geval om productiegereedschap en fixtures (hulpstukken die onderdelen op hun plek houden tijdens montage) te printen voor gebruik in de eigen fabrieken, eveneens rond 2021-2022.
De wetenschappelijke wortels van de techniek liggen verder terug. Al in de jaren negentig deden onderzoekers experimenten met wat destijds 'uniform droplet spray' werd genoemd: het op een gecontroleerde, gelijkmatige manier produceren van druppels gesmolten metaal. Dat onderzoek werd destijds mede gedreven door interesse vanuit de lucht- en ruimtevaartsector, al leidde het toen nog niet tot praktische toepassingen buiten het laboratorium.
Onderzoeksinstituut EWI (Edison Welding Institute), gespecialiseerd in las- en materiaaltechnologie, is in de Verenigde Staten betrokken geweest bij het verder technisch rijp maken van deze printtechniek, in samenwerking met academische partners.
Hoe ver is de techniek?
Liquid-metal-jetting bevindt zich nog in een relatief vroeg, kleinschalig stadium vergeleken met gevestigde metaal-3D-printtechnieken zoals poederbed-smelten, die al langer in industriële omgevingen worden gebruikt voor bijvoorbeeld lucht- en ruimtevaartonderdelen.
De techniek werkt op dit moment vooral goed met aluminium, een metaal met een relatief laag smeltpunt. Metalen met een veel hoger smeltpunt, zoals titanium of staal, zijn technisch lastiger te verwerken met deze methode; het printen daarvan vraagt meer van de printkop en de omringende apparatuur, en is nog geen gangbare praktijk.
Ook op het gebied van nauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit is er nog een verschil met poederbed-technieken: doordat de druppels relatief groot zijn ten opzichte van de fijne poederdeeltjes die een laser smelt, zijn geprinte oppervlakken vaak wat ruwer en is fijn detail lastiger te realiseren. Voor onderdelen waar dat cruciaal is, zoals sommige lucht- en ruimtevaartcomponenten, is aanvullende bewerking (bijvoorbeeld frezen of polijsten) vaak nodig.
Een ander obstakel is certificering: voor kritieke toepassingen moeten materialen en processen aan strenge normen voldoen, iets waar organisaties als ASTM International zich mee bezighouden. Voor een relatief nieuwe techniek als deze kost het tijd om voldoende testdata te verzamelen om aan zulke normen te voldoen. Het is dan ook eerlijk om te zeggen dat liquid-metal-jetting vooralsnog een niche blijft naast gevestigde technieken, gericht op specifieke toepassingen zoals tooling, prototypes en on-demand printen van eenvoudigere onderdelen, eerder dan een directe vervanger van bestaande productiemethoden.
Wie werken eraan?
De ontwikkeling van liquid-metal-jetting is tot nu toe grotendeels een Amerikaans verhaal. Xerox is met de ElemX de belangrijkste commerciële partij die de techniek daadwerkelijk als product op de markt heeft gebracht, voortbouwend op het werk van het overgenomen start-up bedrijf Vader Systems.
Daarnaast spelen onderzoeksinstituten een rol bij het technisch verder ontwikkelen van de techniek, waaronder EWI (Edison Welding Institute), dat gespecialiseerd is in las- en materiaaltechnologie en betrokken is geweest bij het rijper maken van dit soort metaalprintprocessen. Ook aan Amerikaanse universiteiten, waaronder onderzoekscentra verbonden aan Ohio State University, is aan verwante metaal-3D-printtechnieken gewerkt.
De vroege wetenschappelijke basis voor druppelgebaseerd metaalprinten werd gelegd door academisch onderzoek in de jaren negentig, met destijds interesse vanuit de Amerikaanse lucht- en ruimtevaartsector. Van grootschalige Europese of Aziatische spelers die specifiek deze exacte techniek commercialiseren, is op dit moment weinig bekend; de meeste bekende activiteit concentreert zich in de Verenigde Staten.