We hebben allemaal wel eens zandkastelen gebouwd op het strand: machtige muren, majestueuze torens, grachten vol haaien. Als je net als ik bent, zul je verbaasd zijn hoe goed een klein beetje water bij elkaar blijft – tenminste, totdat je grote broer opduikt en het in een vlaag van destructieve vreugde omver schopt.
Ondernemer Dan Gelbart gebruikt ook water om materialen te verbinden, hoewel zijn ontwerp veel duurzamer is dan een opblaasbaar strandkunstwerk voor een weekendje weg.
Als president en oprichter van Rapidia Tech Inc., een leverancier van metalen 3D-printers in Vancouver, Brits-Columbia, en Libertyville, Illinois, heeft Gelbart een productiemethode ontwikkeld die de tijdrovende stappen van concurrerende technologieën elimineert en het verwijderen van ondersteuningsstructuren aanzienlijk vereenvoudigt.
Het maakt het samenvoegen van meerdere onderdelen ook niet moeilijker dan ze even in water te weken en aan elkaar te lijmen – zelfs voor onderdelen die met traditionele productiemethoden zijn gemaakt.
Gelbart bespreekt enkele fundamentele verschillen tussen zijn systemen op waterbasis en systemen die gebruikmaken van metaalpoeders met 20% tot 30% was en polymeer (in volume). Rapidia 3D-printers met dubbele printkop produceren een pasta van metaalpoeder, water en een harsbindmiddel in hoeveelheden variërend van 0,3 tot 0,4%.
Hierdoor, zo legde hij uit, vervalt het ontbindingsproces dat bij concurrerende technologieën nodig is en dat vaak meerdere dagen duurt, en kan het onderdeel direct naar de sinteroven worden gestuurd.
De andere processen vinden voornamelijk plaats in de "al lang bestaande spuitgietindustrie (MIM), die ongesinterde onderdelen vereist met relatief hoge polymeergehaltes om het lossen uit de mal te vergemakkelijken", aldus Gelbart. "De hoeveelheid polymeer die nodig is om onderdelen voor 3D-printen te verbinden, is echter zeer klein: een tiende procent is in de meeste gevallen voldoende."
Dus waarom water drinken? Net als in ons voorbeeld met het zandkasteel, dat gebruikt werd om pasta te maken (in dit geval metaalpasta), houdt het polymeer de onderdelen bij elkaar tijdens het drogen. Het resultaat is een onderdeel met de consistentie en hardheid van stoepkrijt, sterk genoeg om nabewerking na montage, voorzichtige bewerking (hoewel Gelbart nabewerking na het sinteren aanbeveelt), assemblage met water samen met andere onafgewerkte onderdelen en het bakken in de oven te doorstaan.
Door het ontvetten achterwege te laten, kunnen ook grotere onderdelen met dikkere wanden worden geprint, omdat bij gebruik van metaalpoeders geïmpregneerd met polymeer het polymeer niet kan "verbranden" als de wanden van het onderdeel te dik zijn.
Gelbart zei dat een fabrikant van apparatuur wanddiktes van 6 mm of minder vereiste. "Stel dat je een onderdeel maakt ter grootte van een computermuis. In dat geval moet de binnenkant hol zijn of misschien van een soort gaas. Dit is prima voor veel toepassingen, zelfs als lichtheid het doel is. Maar als fysieke sterkte vereist is, zoals bij een bout of een ander onderdeel met hoge sterkte, dan zijn [metaalpoederinjectie] of MIM meestal niet geschikt."
Een foto van een vers geprint verdeelstuk laat de complexe interne structuur zien die een Rapidia-printer kan produceren.
Gelbart wijst op een aantal andere kenmerken van de printer. Cartridges met metaalpasta zijn navulbaar en gebruikers die ze bij Rapidia inleveren om te laten bijvullen, ontvangen punten voor het ongebruikte materiaal.
Er is een breed scala aan materialen beschikbaar, waaronder roestvrij staal 316 en 17-4PH, INCONEL 625, keramiek en zirkonia, maar ook koper, wolfraamcarbide en diverse andere materialen in ontwikkeling. Ondersteunende materialen – het geheime ingrediënt in veel metaalprinters – zijn ontworpen om substraten te printen die met de hand verwijderd of "verdampt" kunnen worden, waardoor anders onmogelijk te reproduceren interieurs te printen zijn.
Rapidia bestaat al vier jaar en staat, toegegeven, nog maar aan het begin. "Het bedrijf neemt de tijd om de zaken op orde te krijgen," aldus Gelbart.
Tot nu toe hebben hij en zijn team vijf systemen geïnstalleerd, waaronder één bij het Selkirk Technology Access Center (STAC) in British Columbia. Onderzoeker Jason Taylor gebruikt de machine sinds eind januari en heeft veel voordelen gezien ten opzichte van verschillende bestaande 3D-printers van STAC.
Hij merkte op dat de mogelijkheid om ruwe onderdelen vóór het sinteren met water aan elkaar te lijmen, veel potentie heeft. Hij is ook goed op de hoogte van de problemen die gepaard gaan met ontvetten, waaronder het gebruik en de afvoer van chemicaliën. Hoewel geheimhoudingsovereenkomsten Taylor ervan weerhouden om veel details van zijn werk daar te delen, is zijn eerste testproject iets waar velen van ons aan zouden denken: een 3D-geprinte stok.
"Het is perfect geworden," zei hij met een glimlach. "We hebben het oppervlak afgewerkt, gaten voor de as geboord en ik gebruik het nu. We zijn onder de indruk van de kwaliteit van het werk dat met het nieuwe systeem is geleverd. Zoals bij alle gesinterde onderdelen is er enige krimp en zelfs een beetje uitlijningsfout, maar de machine is toereikend. We kunnen deze problemen consistent in het ontwerp compenseren."
Het Additive Report richt zich op het gebruik van additive manufacturing-technologieën in de praktijk. Fabrikanten gebruiken tegenwoordig 3D-printing voor het maken van gereedschappen en mallen, en sommigen zetten AM zelfs in voor massaproductie. Hun verhalen komen hier aan bod.