BIA-Brukerstyrt innovasjonsarena

Europa har et stort antall små og mellomstore bedrifter og større industri som bruker ultralydteknologi i sine produkter og tjenester, alt fra medisinsk avbildning til rørledningsinspeksjon og skipsposisjonering. Med svært få unntak blir ultralydbølgene generert og mottatt av plater, skiver eller arrayer laget av PZT-keramikk som inneholder giftig bly. Ideen bak MANUNET-prosjektet 3D-PIEZO var å gi disse selskapene tilgang til rimelig 3D-produksjon av miljøvennlige piezoelektriske materialer med høy ytelse. Slik tilgang vil gi europeiske bedrifter et konkurransefortrinn i det internasjonale markedet. Prosjektet hadde tre partnere, SINTEF (NO), Cerpotech (NO) og CERHUM (BE). Cerpotech var ansvarlig for utvikling av keramisk pulver, CERHUM for 3D-printing og SINTEF for multilagskomponenter, elektrodepåføring, poling og karakterisering. Modifiserte versjoner av to forskjellige blyfrie materialer, vismutnatriumtitanat (BNT) og kaliumnatriumniobat (KNN), viste meget god piezoelektrisk ytelse sammenlignet med state-of-the-art teknologi. Tidlige forsøk viste at 3D-printing av de piezoelektriske materialene var mer utfordrende enn forventet på grunn av høy grad av spredning og absorpsjon av UV-lys. Prosjektet jobbet intensivt med å løse denne utfordringen, men med bare delvis suksess. Alle komponentene som ble testet i prosjektet var derfor multilagskomponenter. Pålitelige prosedyrer for fabrikasjon og ytelsestesting ble utviklet. Materialene og komponentene som ble utviklet viste meget gode ferro- og piezoelektriske egenskaper sammenlignet med litteraturverdier. Vurdering av produksjonskjeden fra råvare til ferdig komponent avdekket ingen tekniske flaskehalser for produksjon av multilagskomponenter. Hovedutfordringen for å sette opp en produksjonslinje er høy CAPEX. En leverandør som var villig til å gjøre småskala kontraktsproduksjon ble identifisert. For 3D-printing ble det ikke konkludert. Et viktig HMS-aspekt knyttet til produksjon av multilagskomponenter er bruk av organiske løsningsmidler i tape casting-prosessen. Selv om vannbasert tape casting er vist tidligere, anses dette som utfordrende for industriell produksjon. Prosjektet har bidratt sterkt til å øke kompetansen i Norge om produksjon og ytelse av blyfrie piezomaterialer. Partnerne har økt kunnskapen om materialenes teoretiske grunnlag og har samtidig skaffet seg praktisk erfaring med produksjon og testing.

The project has greatly contributed to increasing the competence among the partners about fabrication and performance of lead-free piezomaterials. This knowledge provides a very good basis for new development projects with companies using piezomaterials for, among other things, ultrasound technology. It also provides a basis for applications for new research projects. The collaboration with CERHUM has given SINTEF useful experience with 3D printing of ceramic components and the associated challenges related to absorption and scattering effects in the fabrication of advanced functional ceramics. This experience will be valuable, not only related to piezo-components, but also in several other areas because the results from 3D-PIEZO can readily be adapted to other functional ceramic materials. Examples of relevant areas are electronics, biomaterials, sensing technologies, aerospace, catalytic and membrane reactors, and fuel cells/electrolysers.

The 3DPIEZO project will develop a manufacturing chain for lead (Pb) free piezoelectric devices for ultrasonics and other applications. 3D printing and multilayer lamination will be the principal manufacturing methods, applying high performance leadfree piezoelectric ceramics. All critical steps of the manufacturing chain will be developed and demonstrated at TRL 6. Optimised versions of at least two different materials systems will be applied: bismuth sodium titanate (BNT) and potassium sodium niobate (KNN). The consortium consists of two SMEs and one research organisation: Ceramic Powder Technology AS is a Norwegian producer of advanced ceramics powder by spray pyrolysis, CERHUM S.A. in Wallonia is a specialist in 3D printing of ceramics, and SINTEF is the largest research organisation in Norway. To guide the project and provide component designs, 3DPIEZO will have an Industrial Advisory Board (IAB) with representatives from companies that use piezoelectric components in their products or services.