3D-printen van edele metalen – een nieuwe aanpak?

Een recent onderzoek door SmarTech heeft de markt voor edele metalen materialen in additive manufacturing gewaardeerd op $ 250 miljoen in 2028. Dit toont aan dat hoewel 3D-printen zich nog relatief in de beginfase van ontwikkeling bevindt, het een gebied is dat gestaag groeit. 3D-printen van edele metalen zoals goud, zilver of platina is ideaal voor low-batch, high-end toepassingen met een hoge mate van maatwerk en ontwerpvrijheid. Met dit in gedachten kunnen industrieën zoals sieraden, uurwerken, tandheelkunde en elektronica enorm profiteren van 3D-printen met deze materialen.

We bekijken hoe 3D-printen met edele metalen werkt, de beperkingen van de technologie en hoe de toepassingen in de toekomst kunnen evolueren.

Directe en indirecte productie

Er zijn twee hoofdbenaderingen voor het 3D-printen van edele metalen:directe en indirecte productie . Bij indirecte productie wordt 3D-printen gebruikt om gereedschappen zoals matrijzen en matrijzen voor traditionele processen te produceren. Direct 3D-printen daarentegen verwijst naar het maken van onderdelen rechtstreeks vanuit het ontwerp.

Indirecte productie met edelmetaal omvat het 3D-printen van een waspatroon om te gebruiken bij het gieten van investeringen. Stereolithografie (SLA) wordt meestal gebruikt om dergelijke patronen te maken van gietbare, wasachtige harsen. Tijdens dit proces gaat een UV-lichtlaser over een laag vloeibaar fotopolymeer (hars), waardoor het materiaal selectief stolt. Wanneer het waspatroon voltooid is, wordt het bedekt met een hittebestendig materiaal zoals gips en in een oven geplaatst waar de was wordt gesmolten, zodat alleen de uitgeharde gipsvorm overblijft. Dit proces wordt ook wel “verloren was” genoemd. Het gesmolten edelmetaal wordt vervolgens in de mal gegoten en vult de ruimte die door de was is achtergelaten.

Dit proces is met name gunstig voor de sieradenindustrie, omdat het helpt om tijd en moeite te besparen in verband met modellen voor het met de hand snijden, terwijl sieradenmakers zeer ingewikkelde, op maat gemaakte sieraden kunnen ontwerpen. Momenteel biedt de 3D-printermarkt een breed scala aan SLA-machines die zeer geschikt zijn voor de productie van waspatronen.

In tegenstelling tot direct 3D-printen , kunnen fabrikanten edelmetalen onderdelen rechtstreeks vanuit CAD-bestanden maken. De twee meest gebruikte 3D-printtechnologieën voor direct 3D-printen met edele metalen zijn Direct Metal Laser Sintering (DMLS) en Material Jetting.

Directe productie nader bekeken

Directe productie staat nog in de kinderschoenen vergeleken met indirect 3D-printen. Hoewel Direct Metal Laser Sintering (DMLS) een van de meest gebruikelijke additieve fabricagemethoden is voor het produceren van metalen onderdelen, is het lasersinteren van edelmetaalpoeders mogelijk pas recentelijk geworden, deels vanwege de intrinsieke moeilijkheden bij het werken met deze materialen.

Edelmetaalpoeders zijn ook kostbaar om te onderzoeken en te ontwikkelen. Bovendien zijn veel edele metalen, zoals goud en zilver, sterk reflecterend en thermisch geleidend. Dit betekent dat typische AM-lasers niet in staat zijn om het materiaal grondig te smelten en een homogeen onderdeel te creëren. Ondanks de uitdagingen hebben enkele AM-fabrikanten machines ontwikkeld die edele metalen materialen kunnen verwerken met behulp van DMLS.

Machines op de markt

Zo lanceerde de Duitse fabrikant EOS in samenwerking met het in het VK gevestigde edelmetaalbedrijf Cooksongold in 2014 de EOS PRECIOUS M 080 3D-printer. Met dit systeem kan een breed scala aan edelmetaalpoederlegeringen worden gebruikt, van goud en zilver tot platina en palladiumlegeringen.

Op dezelfde manier gebruikte sieradenbedrijf Boltenstern de PRECIOUS M 080 om zijn "Embrace" sieradencollectie te creëren, 3D-geprint in goud en platina. De technologie maakte onbereikbare niveaus van maatwerk mogelijk, terwijl stukken met complexe ontwerpen werden gemaakt. De collectie omvatte sieraden zoals armbanden, oorbellen, ringen, halskettingen en manchetknopen.

De in Italië gevestigde machinefabrikant Sisma introduceerde het mysint100-systeem voor 3D-printen met kostbare (brons, goud en verschillende legeringen van edele metalen) en niet-edele metaalpoeders in 2014. En in 2016 breidde het bedrijf zijn 3D-printerportfolio uit met de grotere mysint300-machine, geschikt voor het produceren van kleine series en middelgrote stukken.

3D-printen platina

3D-printen van platina is een bijzonder interessante use case. Het materiaal is notoir moeilijk te gieten vanwege de hoge smelttemperatuur en hoge reactiviteit met de kroes- en investeringsvormmaterialen. Dit resulteert in hoge productiekosten, de behoefte aan specifieke apparatuur en frequente defecten in eindproducten, waardoor lasersinteren een beter alternatief is voor gieten. Edelmetaalbedrijf Cooksongold heeft zelfs geschat dat de dichtheid van 3D-geprint platina meer dan 99,9% kan bereiken, terwijl gegoten platina een dichtheid van 99,2% is.

Tandheelkunde

Binnen de tandheelkundige industrie kan 3D-printen van edele metalen worden gebruikt voor tandheelkundige restauraties, waarbij kleine batches kronen, inlays en onlays worden gemaakt. Zo gebruikt Argen, dat gespecialiseerd is in digitale tandheelkundige technologie, Concept Laser-machines voor het 3D-printen van metaal met hoge edele (goud- en palladiumlegeringen), edele (palladium) en niet-edele legeringen, om op aanvraag volledig dichte, op maat gemaakte prothesen te produceren.

Elektronica

Material Jetting is een heel ander additief productieproces dan DMLS, waarbij gebruik wordt gemaakt van printkoppen die druppeltjes materiaal laag voor laag afzetten. Deze druppels worden vervolgens gestold met een UV-licht.

Wat edele metalen betreft, wordt Material Jetting meestal gebruikt met sterk geleidende zilver- of goudinkten om elektronische apparaten zoals antennes, PCB-prototypes, circuits en sensoren in 3D te printen. Het Israëlische bedrijf Nano Dimensions is een pionier op dit gebied met zijn DragonFly 2020 Pro 3D-printer. Met het gepatenteerde inkjet-depositiesysteem is de DragonFly 2020 Pro in staat om gelijktijdig te printen met geleidende (zilver) en diëlektrische inkten, waardoor elektrisch functionele onderdelen worden gecreëerd.

Een andere grote speler op het gebied van 3D-geprinte elektronica met edelmetalen is Optomec. Het Amerikaanse bedrijf heeft speciaal voor de lijn van zijn Aerosol Jet-printers een breed scala aan inkten van edelmetaal (goud, platina, zilver, koper) en niet-edelmetaal ontwikkeld. De nieuwste 3D-printer in de lijn – de Aerosol Jet HD – kwam eerder dit jaar op de markt. De onderliggende technologie is de inktverstuiver, die de aerosolnevel creëert en vervolgens met behulp van aerodynamische focussering op het substraat wordt afgezet.

Elektronische componenten, van weerstanden tot antennes en sensoren, kunnen worden gemaakt met behulp van de Aerosol Jet-technologie. Onderzoekers van de Carnegie Mellon University waren bijvoorbeeld in staat om hoge-temperatuur-rekstrookjes in 3D te printen met behulp van de technologie. Spanningsmeters zijn sensoren die worden gebruikt om de spanning van een materiaal of constructie te meten, waardoor eventuele structurele problemen in een onderdeel kunnen worden opgespoord. De rekstrookjes zijn gemaakt van zilveren nanodeeltjes en hebben superieure prestaties geleverd dan in de handel verkrijgbare tegenhangers en kunnen met name gunstig zijn voor de lucht- en ruimtevaart en andere hoogwaardige industrieën zoals nucleaire en energieopwekkingssystemen.

Kijkend naar de toekomst

Hoewel indirect 3D-printen de meest populaire optie blijft bij het werken met edele metalen, erkennen industrieën van sieraden tot elektronica gestaag de voordelen van direct 3D-geprinte edele metalen. Er zijn echter belemmeringen voor een bredere acceptatie:van dure apparatuur tot de moeilijkheden om geschikte poeders en inkten voor edelmetaal te ontwikkelen.

Desalniettemin, als we verder vooruitkijken, zullen we meer direct 3D-geprinte sieraden en tandheelkundige producten zien, aangezien de trend naar meer maatwerk en een snellere time-to-market zich voortzet. Verder wordt er meer onderzoek gedaan op het gebied van edelmetaalinkten. We stellen ons voor dat 3D-geprinte elektronica een revolutie teweeg kan brengen in veel hoogwaardige industrieën met 3D-geprinte sensoren en antennes, de volgende stap in de evolutie van het internet der dingen.