Inzichtelijk interview met Lithoz CEO Dr. Johannes Homa over de toekomst van keramiek 3D-printen

Keramiek 3D-printen is nog een relatief nieuwe additieve productietechnologie. Toch vindt keramiek 3D-printen, ondanks haar नवijnheid, haar weg naar veel industrieën, van medisch en tandheelkundig, tot luchtvaart en luxe goederen.

Lithoz's CEO Dr Johannes Homa

Momenteel zijn er maar een handvol bedrijven die 3D-printtechnologie voor keramiek ontwikkelen. Een van die bedrijven is de Oostenrijkse fabrikant, Lithoz. We spraken met Lithoz's CEO en oprichter, Dr Johannes Homa, om de huidige staat van keramiek 3D-printen te bespreken, enkele van de spannende toepassingen en de voordelen van 3D-printen als digitale productietechnologie.

Kunt u ons vertellen over Lithoz en uw missie als bedrijf?

Lithoz is een technologieleverancier voor 3D-printen van high-performance keramiek, wat betekent dat we machines, software en materialen ontwikkelen en verkopen voor 3D-printen van keramiek. We zijn duidelijk de wereldmarkt- en technologieleider in dit veld. Naast technologieontwikkeling, ondersteunen we onze klanten ook op het gebied van toepassingsontwikkeling. Noch de AM-community noch de keramische industrie was gewend aan keramiek 3D-printen. We ondersteunen beide kanten zoveel mogelijk.

Hoe bent u gekomen om Lithoz op te richten?

De technologie werd ontwikkeld aan de Technische Universiteit van Wenen, terug in 2006, in samenwerking met een tandheelkundig bedrijf Ivoclar Vivadent AG. Dan in 2010 bereikten we een doorbraak: we konden keramiek 3D-printen met dezelfde materiaaleigenschappen als in conventionele vormgevende technologie. Deze mijlpaal moedigde ons aan om Lithoz uit te splitsten als een bedrijf voor 3D-printen van high-performance keramiek.

Kunt u iets meer vertellen over de technologie die Lithoz heeft ontwikkeld?

Onze technologie is gebaseerd op een fotopolymerisatieproces, wat heel vergelijkbaar is met conventionele Stereolithografie. Het verschil is dat met onze technologie, de keramische deeltjes gedispergeerd zijn in een gevoelige hars. Tijdens het printproces wordt deze composietmateriaal gevormd door licht, laag voor laag. Het onderdeel dat uit onze 3D-printer komt, heet een groen lichaam, wat betekent dat het nog geen eindproduct is. Het groene lichaam moet een warmtebehandeling ondergaan die het bakken van een onderdeel in een gespecialiseerde oven inhoudt. In technische termen, ontbinden en sinteren we het onderdeel om de gewenste eigenschappen van een keramisch onderdeel te bereiken. In het proces van ontbinden, verbrandt u de binder en dan sintert u de keramiek tot volle dichtheid. Het onderdeel ondergaat krimp, maar dit is een normaal fenomeen in keramische vormgevingsprocessen.

Kunt u voorbeelden delen van toepassingen die met uw technologie bereikt zijn?

Medische producten 3D-geprint met Lithoz keramiek 3D-printtechnologie [Afbeeldingscredit: Lithoz]

We zijn actief in drie verschillende industrieën. De eerste is medisch, waar we resorbeerbare en niet-resorbeerbare implantaten en medische hulpmiddelen hebben. Bijvoorbeeld, resorbeerbare implantaten zijn sinds 2017 in gebruik. Niet-resorbeerbare implantaten zijn, aan de andere kant, bio-inert, wat betekent dat ze niet reageren met het menselijk lichaam. Daarnaast is de warmteleiding van keramiek redelijk laag. Dus, nog een voordeel van keramische implantaten, vergeleken met metalen, is dat mensen geen pijn voelen als ze in direct zonlicht zijn of als ze hete douches nemen. De derde medische toepassing is medische hulpmiddelen, waar u enkele isolerende, niet-magnetische eigenschappen van de keramiek nodig hebt. Keramiek is ideaal voor de medische industrie omdat ze bio-inert zijn en geen allergische reacties oproepen, wat wel het geval kan zijn met metalen of kunststoffen. Een ander gebied waar we ons op richten is gietkernen voor turbinenschaufels. Turbinenschaufels hebben een intern koelsysteem om de schaufel tijdens de werking af te koelen. Met de groeiende trend naar efficiëntieverhoging door de temperatuur te verhogen, zijn de ontwerpen van dergelijke koelsystemen meer gesofisticeerd. Het sophisticheringsniveau betekent dat de ontwerpen niet meer injection gemold kunnen worden, wat een nieuwe productiebenadering vereist om ze te kunnen produceren. Additieve productie blijkt een ideale oplossing voor deze kernen. Een ander focusgebied voor ons is technische keramiek. Dit zijn geavanceerde keramische materialen die gebruikt worden in alles, van satellietcomponenten, zoals spiegelshouders en radiofrequentiecomponenten, tot mechanische engineeringonderdelen, bijvoorbeeld voor textielmachines en halfgeleidermachines. Dus, dit betekent dat er een wijd bereik aan toepassingen is voor onze technologie, inclusief luxe goederen.

Kan deze technologie ook met metalen gebruikt worden?

Dat is een geweldige vraag. Onze filosofie is dat we onze technologie aanpassen aan het poeder en niet andersom. Dus, het betekent dat we in staat waren onze technologie aan te passen aan metalen. We waren zo succesvol dat we zelfs een spin-out van het bedrijf maakten. Nu is er een bedrijf genaamd Incus, en die doet metaal 3D-printen met een fotopolymerisatiebenadering. Met deze technologie kan het hoge resoluties bereiken, goede mechanische eigenschappen en hoge precisie, waardoor onderdelen vergelijkbaar zijn met metaal injection gemold onderdelen.

Wat is de huidige staat van keramiek 3D-printen in termen van begrip van de technologie?

Keramiek 3D-printen is een van de jongste technologieën in 3D-printen, dus de kennisbasis is nog niet zo goed ontwikkeld. Dat gezegd, net vandaag kreeg ik een e-mail van een klant die een vergadering had met hun C-level executive die verrast was dat het potentieel voor 3D-printen van keramische onderdelen in hun bedrijf groter was dan voor metalen onderdelen.

We zien dat er veel toepassingen zijn, maar keramiek AM is nog niet zo bekend in de 3D-printindustrie. Dit begint te veranderen, wel. Mensen hebben gezien dat er beperkingen zijn met kunststoffen en metalen, die door keramiek overwonnen kunnen worden.

Hoe zou u een bedrijf adviseren dat kijkt naar het potentieel van keramiek 3D-printen of 3D-printen in het algemeen, maar niet weet waar te beginnen met het adopteren van de technologie?

Dit is een heel moeilijke vraag omdat de business case meestal niet gewoon op uw bureau ligt. De makkelijkste manier om te beginnen is om 3D-printen te verkennen voor prototypes. Op die manier kunt u beginnen met de technologie te leren. Dan zult u beginnen met klanten te praten en in uw portfolio kijken om te identificeren welke onderdelen zinvol zijn om 3D te printen. Vanuit een ontwerpperspectief, moet dit onderdeel heel gesofisticeerd zijn en ideaal niet geproduceerd kunnen worden door andere technologieën. Eenmaal dat u het gevonden hebt, hebt u een concurrentievoordeel. Samengevat, het zijn niet alleen de laaghangende vruchten die u zoekt, maar het is een project dat u in uw bedrijf opzet. En het moet eerder top-down zijn dan bottom-up. Het kan moeilijk zijn om het volledige potentieel van AM aan het begin te zien. Elk bedrijf dat 3D-printen adopteert, moet enige inspanning doen om dit potentieel uit te graven. Maar eenmaal dat u een geschikte use case gevonden hebt, zal het veel deuren voor u openen.

Wat zijn enkele van de uitdagingen betrokken bij 3D-printen van keramiek?

Eén probleem waar we vaak tegenaan lopen is dat mensen onderdelen willen 3D-printen, die al goed gevestigd zijn in conventionele vormgevende technologieën. Als resultaat zijn ze verrast dat additieve productie neigt duurder te zijn dan meer conventionele technologieën. Wat begrepen moet worden is dat het reproduceren van een traditioneel geproduceerd onderdeel met behulp van 3D-printen, in de meeste gevallen niet goedkoper zal maken. Een andere uitdaging is dat we materiaalwetenschappelijke kwesties niet kunnen overwinnen met behulp van additieve productie. AM is gewoon een vormgevende technologie. Het lost geen kwesties op voor sinteren, wat verplicht is voor keramische verwerking. Bijvoorbeeld, het is makkelijk om multi-materiaal keramische onderdelen te 3D-printen. Maar het zou uitdagend zijn om deze materialen te co-sinteren. Ik denk dat dergelijke overwegingen soms onderschat worden.

Een recent rapport van SmarTech Analysis stelt dat de groei van keramiek 3D-printen grotendeels gedreven zal worden door eindonderdeelsproductie. Wat zijn uw gedachten daarover?

[Afbeeldingscredit: Lithoz]

Ik stem volledig in. Toen we 10 jaar geleden begonnen, had niemand een idee van high-performance keramiek 3D-printen. En nu zien we zoveel toepassingen die zelfs wij niet bewust waren. Ik geloof sterk dat keramiek de materialen van de toekomst zijn en we zijn nog maar aan het begin van deze reis. De afgelopen 10 jaar hebben we moeten tonen en bewijzen dat 3D-printen ook met keramiek mogelijk is, en nu beginnen mensen deze technologie te benutten.

Wat ik ook denk dat mensen beginnen te realiseren is dat digitale technologie, zoals AM, een oplossing kan zijn voor lockdowns, dankzij digitale voorraden die met de technologie mogelijk zijn.

Kunt u iets uitleggen over hoe digitale technologieën en 3D-printen ondersteuning kunnen bieden aan bedrijven?

Tijdens de COVID-19-crisis is er een lockdown geweest van bepaalde leveranciers. Bijvoorbeeld, bij injectiegieten, heeft een leverancier het gereedschap en als u een onderdeel weer wilt produceren, gaat u naar uw leverancier en vraagt hem om meer onderdelen voor u te produceren en hij doet dat in een normale omgeving. Maar de situatie met COVID-19 maakt de wereldwijde leveranciersketen veel kwetsbaarder en gestoord nu. Veel bedrijven kunnen hun leveranciers niet bereiken of de leveranciers kunnen geen onderdelen produceren. Aan de andere kant, met additieve productie, is het enige gereedschap dat u gebruikt de machine zelf. De machine kan hier in Europa zijn, of de Verenigde Staten, in Azië, op elke plek eigenlijk, en alles wat u nodig hebt is de data naar de machine te sturen en het onderdeel direct te printen, zonder enige gereedschappen. Natuurlijk moet u het onderdeel kwalificeren voor AM, maar over het algemeen geeft de technologie u veel meer flexibiliteit. Een ander punt is dat de digitale aard van AM u in staat stelt om ontwerpbestanden op te slaan in virtuele opslag, in plaats van een fysieke voorraad, en ze op aanvraag te printen.

Hoe ziet u de evolutie van keramiek 3D-printen in de komende jaren?

Ik denk dat er geweldig potentieel vooruit ligt. Dat gezegd, in contrast met andere AM-technologieën, moet keramiek AM, vanaf het begin, aan de eisen van een hoogwaardig onderdeel voldoen. Want als u een keramisch onderdeel nodig hebt, moet het dezelfde materiaaleigenschappen hebben als in conventionele productie, zelfs als het slechts een prototype is. Dat is omdat u het in een harde omgeving zou gebruiken, zoals hoge temperaturen of een corrosieve omgeving. Als u een visueel prototype wilt, zou u het niet van keramiek maken, u zou het van plastic maken. U wilt altijd functioneel prototypen met keramiek AM, dus vanaf het begin deden we de productie van lotgrootte één.

Wat houdt het komende jaar in voor Lithoz?

We zien twee verschillende gevolgen van de pandemie voor ons bedrijf. Ten eerste hebben we een kleinere groep van onze klanten gezien die een pauze nam in additieve productie en zich richtte op andere dingen. In een andere groep zien we meer bedrijven die nu veel meer naar additieve productie kijken, vanwege de voordelen van digitale productietechnologie, zoals digitale opslag en de mogelijkheid om hun leveranciersketen te stabiliseren. Hoewel de huidige situatie slecht is voor de wereldeconomie, zie ik bedrijven nu het potentieel van additieve productie realiseren, omdat mensen anders gaan nadenken en digitale productietechnologieën overwegen als middel om deze kwesties te overwinnen. Voor Lithoz denken we niet dat deze crisis een grote impact zal hebben op onze omzet en verkoop. De toekomst is heel helder voor ons. We hebben veel projecten gaande die we momenteel niet mogen onthullen. Ze zullen in de toekomst opkomen en mensen zullen heel verrast zijn over wat er al mogelijk is met keramiek 3D-printen.