Wetenschap in Stroomversnelling: Van inkt naar keramiek in de printer

Printen in laagjes, daar komt additive manufacturing (AM) – in de volksmond 3D-printen genoemd – op neer. De ‘inktpatroontjes’ zijn bepaald niet goedkoop; het gaat hier ook niet meer om inkt, maar wel om kunststof, metaal en keramiek. In een labo met printers van enkele vierkante meters groot geven Jan Deckers en Tom Craeghs – twee jonge burgerlijk ingenieurs – ons tekst en uitleg.

Uit de 3D-printer 'gerold': twee Mannekens Pis in alumina, een appel in titanium en twee structuren in kunststof

KU Leuven - Rob Stevens

Deckers en Craeghs werken als onderzoekers in het Departement Werktuigkunde, onder leiding van professor Jean-Pierre Kruth. “De kracht van 3D-printen is de enorme ontwerpvrijheid. Dat spreekt ook tot de verbeelding”, zegt Deckers terwijl hij een tijdslijntje van 3D-spulletjes op tafel zet. De eerste printers in de jaren 90 die materialen konden printen, deden dat met kunststof (zoals het rode atomium op de foto of het witte vormpje dat op een zeeplantje lijkt). Daarna volgden metaal (de appel in titanium) en nu experimenteert men met keramische materialen (Manneken Pis in alumina).

Materialen printen kon al in de jaren 90? Het is dus eigenlijk al een oude technologie?

Deckers: “Ja, het principe is altijd: in lagen werken. Je vertrekt steeds van een virtueel ontwerp op de computer. Dat wordt opgedeeld in laagjes. Dan print je die lagen, alsof je op een blad steeds op dezelfde plaats blijft printen zodat je ook in de hoogte print. Maar de manier waarop het basismateriaal wordt gevormd, varieert. Bij één van de oudste technieken wordt een laag vloeibare kunststof – een hars – met een laserstraal selectief verhard. Dat blijf je herhalen tot je een 3D-object hebt. Bij kunststofpoeder kan je op bepaalde plaatsen verwarmen, zodat het poeder aan elkaar kleeft. Bij keramische materialen kan je een poeder van kunststof en keramisch materiaal gebruiken, waarbij de kunststof achteraf in een oven wordt weggebrand.”

Craeghs: “In de jaren 90 werd de techniek enkel gebruikt voor rapid prototyping. Vervolgens ging men niet alleen prototypes, maar ook mallen en uiteindelijk producten maken. Ondertussen kunnen we zeer lichte en sterke componenten maken. De wetenschappelijke verzamelnaam voor de verschillende technieken is additive manufacturing (AM): je print door laagjes toe te voegen. Bij de klassieke technieken zoals draaien, slijpen en frezen – waarbij materiaal wordt weggenomen – spreken we van subtractive manufacturing. Soms wordt AM daarmee gecombineerd, om zeer nauwkeurige componenten te maken.”

Voor welke toepassingen wordt additive manufacturing nu al courant gebruikt?

Craeghs: “Je kan schoenen van kunststof printen, maar voor massaproductie is materiaalprinten vaak nog te duur. Als het gaat om complexe onderdelen die in kleine series gemaakt moeten worden, dan is de techniek wel geschikt. Op die manier wordt additive manufacturing het meest toegepast: van onderdelen van matrijzen en turbines tot de tv-beugels in een vliegtuig. In België hebben we trouwens een hoog aantal materiaalprinters per vierkante meter. Materialise is een spin-off van de KU Leuven die zich vooral toelegt op kunststofprinten – bijvoorbeeld voor de auto-industrie – en op de software die erachter zit. Een andere spin-off is LayerWise: die werken op metaal. Onlangs pakten ze uit met een titanium kaakimplantaat op maat van de patiënt.”

Deckers: “De medische sector is trouwens één van de belangrijkste toepassingsgebieden. Denk daarbij aan implantaten, hoorapparaten of onderdelen van tandprotheses op maat van de patiënt. Eén van de eerste toepassingen was trouwens een print van de hersenpan van een kankerpatiënt, zodat de chirurg zich vooraf een beeld kon vormen van de tumor. Nu werken we aan ontwerpen van poreuze structuren voor botdefecten: als je die inbrengt, dan kan het bot teruggroeien door de gaatjes van de prothese.”

Tom Craeghs en Jan Deckers tonen het ontwerp en het geprinte resultaat, met achter hen de materiaalprinter.

(c) KU Leuven - Rob Stevens

Materiaalprinters worden wel eens aangekondigd als de ‘nieuwe industriële revolutie’, maar toch gebruikt de industrie ze nog niet zoveel. Hoe komt dat?

Craeghs: “Het probleem is de kwaliteitscontrole: hoe kan je weten of het printen goed gelukt is? Als het om een component van een vliegtuig gaat, is het cruciaal dat het geen microscopisch kleine scheurtjes vertoont. Je kan het ding scannen. Of aan tests onderwerpen, maar dan maak je het meestal kapot. Hier experimenteren we met methodes om tijdens het printen al te monitoren en bij te sturen. Aan de KU Leuven hebben we sinds 1994 een eigen materiaalprinter. Die is al verschillende keren omgebouwd door onderzoekers: ik heb er zelf een hogesnelheidscamera ingebouwd die het proces in de printer fotografeert, met 20.000 beelden per seconde. Dat vergt natuurlijk ook een intelligente manier van dataverwerking, want zo’n object printen kan een paar uren duren. Zowel op de camera als op de software hebben we hier ondertussen een patent genomen. En er is interesse voor vanuit de industrie.”

Wat staat er nog op stapel qua onderzoek?

Craeghs: “Het materiaalgamma waarmee je nu kan printen, is nog zeer beperkt. Vandaar het onderzoek van Jan naar keramische materialen, zoals alumina of zirkonia, die in de industrie veel gebruikt worden. Hier in Leuven zullen we ook nog verder onderzoek doen naar kunststof, want er zijn nu niet veel soorten kunststof waarmee je kan printen.”

Deckers: “Er is ook nog fundamenteel onderzoek nodig, want eigenlijk begrijpen we de fysica en de chemie op microscopisch niveau nog niet zo goed, bijvoorbeeld waarom bepaalde kunststofpoeders beter smelten en aaneenklitten dan andere. Vaak moeten we binnen ons onderzoek zeer pragmatisch te werk gaan. Als we materiaalprinten op microscopisch niveau beter begrijpen, zullen er weer meer mogelijkheden zijn.”

Aan de KU Leuven doet een interdisciplinair team van 15 werktuigkundig en materiaalkundig ingenieurs - onder leiding van de professoren Jean-Pierre Kruth, Jan Van Humbeeck en Jef Vleugels - onderzoek op additive manufacturing. Dit onderzoek gebeurt in nauwe samenwerking met VITO, de Associatie Universiteit Gent en Lessius (Mechelen).

Zelf 3D-printen in het FabLab

In het Leuvense FabLab – een ‘fabrication laboratory’ – staan allerlei computergestuurde machines, zoals een freesmachine en een laser cutter, waarmee creatievelingen zelf aan de slag kunnen. Er staan ook een paar 3D-printers, waarvan één industrieel en één doe-het-zelfmodel. Particulieren en vooral studenten, bijvoorbeeld van de opleiding architectuur, maken er gebruik van. “Om een voorbeeld te geven: er is ooit iemand een onderdeeltje van een dampkap komen printen omdat het niet meer verkrijgbaar was in de handel”, zegt FabLab-manager Marc Lambaerts. “Ons doe-het-zelfmodel maakt de drempel lager. Op de professionele machine kost het printen 50 cent tot 1 euro per kubieke centimeter geprint materiaal, op de doe-het-zelfprinter is dat maar 15 cent.”

http://www.fablab-leuven.be