Prosjektet har som mål å utvikle en multimaterial produksjonsprosess for produksjon av geometrisk komplekse deler. Delene kan da bygges med de ønskede materialene på riktig sted i delen, slik som f.eks. et kneimplantat. Kneimplantatet kommer delvis i kontakt med bein og delvis med vev, hvor ett metall er venn med bein og et annet med vev. Det naturlige vil da være å fremstille implantatet med to ulike metaller slik at både bein og vev trives. Teknologien muliggjør derfor produksjon av deler med riktige egenskaper på riktig sted. Slike egenskaper kan være varmeledning, elektrisk ledningsevne, slitasjemotstand, korrosjonsmotstand osv.
Ideen er å videreutvikle additiv (3D-print) teknologien slik at denne kan fremstille geometrisk nøyaktige flermetall produkter med vilkårlig form. Prosjektet tar utgangspunkt i en metode for fremstilling av flermetall pulverlag utviklet ved NTNU og SINTEF. Utfordringen er både å overføre pulverlaget til delen som bygges og å få til god sammenbinding med delen. Prosjektet vil undersøke om dette kan la seg gjøre ved hjelp av moderne laserteknologi. Laser-fysikkmiljøet ved NTNU, materialmiljøet ved SINTEF Industri og produksjonsmiljøet ved SINTEF Manufacturing skal i fellesskap søke etter en løsning på denne utfordringen.
Integrasjonselementet (IE):
Pulver overføres fra en pulverfremkaller til en transportør ved at det påtrykkes et elektrostatisk felt mellom dem. I denne prosessen tar pulveret til seg ladning fra fremkalleren og henger seg fast i transportøren. Dette er det samme fysiske fenomen vi opplever i barnebursdager når ballonger gnis i håret og festes i taket. Transportøren er laget av et elektrisk ledende material med et elektrisk isolerende belegg som gjør at pulver som henger på den ikke mister ladningen sin. Pulveret kan da transporteres rundt uten at det faller av. Transportøren kaller vi et integrasjonselement (IE) fordi maskinelementet forbinder prosesstrinnene; pulverfremkalling og pulverdeponering.
Vi har undersøkt en rekke ulike IE materialer og materialkombinasjoner for å finne ut hvordan disse fungerer i prosessen. Til vår overraskelse har vi funnet tre gode prinsipper for oppbygningen av IE for deponering av multimateriale pulverlag:
1. Forsøk med fremkalling av hele pulverlag til en transportør bestående av en elektrisk ladende bakside og et isolerende belegg på framsiden. Fordelen med denne typen IE er at pulveret beholder ladningen over lang tid, selv etter at det eksterne elektriske feltet er skrudd av. Det er gjennomført deponeringstester som viser at pulvermønsteret overføres fra transportøren til arbeidsstykket. Ideen er å tegne et mønster på integrasjonselementet med en laserstråle slik at pulveret som blir belyst faller eller blir dyttet ned på produktet som bygges. Innenfor laserteknologien kalles denne prosessen for Laser-Induced Forward Transfer (LIFT). Vi har enda ikke bygd deler med denne teknologien, men vi nærmer oss resultater hvor det vil bli mulig. IE materialene som har vist best resultat så langt er laget av elektrisk ledende dopet silisium med elektrisk isolerende silisiumoksid på overflaten.
2. Pulver-tiltrekning til ioner deponert på overflaten av glass/ Safir. Ved hjelp av corona effekten (dielektrisk nedbrytning av luftmolekyler) har vi deponert ioner på overflaten av elektrisk isolerende materialer. Pulver har deretter blitt tiltrukket ionene og festet seg på overflaten. Deponeringsprossessen blir den samme, hvor laser brukes til å oppnå LIFT. Fordelen med et slikt oppsett er at IE blir et monomaterial, som gjør transportøren mer laser transparent og mekanisk sterkere. Ulempen er at transportøren holder dårligere på ladningen, slik at utladningen foregår raskere.
3. IE med løs elektrisk ledende bakside: Ladet pulver på den elektrisk isolerende overflaten induserer en motsatt ladning i grunnplanet på bakside, og siden motsatte ladninger tiltrekker hverandre holdes pulveret på plass. Dersom det isolerende belegget har lav dielektrisitet, vil mye av holdekraften forsvinne om grunnplanet fjernes, og pulveret kan falle av. Fjerner du baksiden faller pulveret av. Det er tidligere vist fra SINTEF at vi kan bruke elektrofotografi til å lage multimateriale pulverbilder. Utfordringen var å overføre dette pulverbildet til produktet. I starten tenkte vi at en laser med LIFT kunne gjøre denne jobben, men det kan bli svært tidkrevende. Vi har begynt eksperimentering med å løfte grunnplanet av IE for å få pulveret til å slippe, slik at pulveret faller ned på delen som skal bygges. Det er fortsatt usikkert hvor godt dette vil fungere i praksis, men de første testene ser lovende ut.
Det jobbes for tiden med undersøkelser av IP sikring og patentering.
Prosjektet har utviklet gode relasjoner med 'Multi-material solutions'-gruppen ved Fraunhofer ICGV. I begynnelsen av året ble det sammen med dem og flere industripartnere sendt inn en Horizon Europe-søknad på 6 MEUR som fokuserer på produksjon av batterier, hvor vår fremgangsmåte var sentral.
Additive manufacturing (AM) is a standardized term that includes a group of production processes of joining material successively, often layer upon layer. Since the market launch of the first AM machine in 1987, the field of AM has grown rapidly in both process variations and applications, and has become a multi-billion-dollar industry. Many AM-processes produce engineering materials that are being applied for critical parts in highly demanding user cases. With AM came new ideas about functionally graded materials and building sensors directly integrated into parts. Functionally graded materials with respect to material composition allows designs with a transition in physical properties through a component. This has been a topic of research for many years.
The primary objective of the project is to develop a process for consolidation of multi-material powder layers with full three-dimensional freedom. Electrophotographic powder layer production is used together with laser consolidation to build an object layer by layer. The electrophotographic principle can transfer several materials simultaneously, thus producing an object with fully three-dimensional freedom in material and form. There are two main challenges:
1. Integration of the electrophotographic production and the laser fusing requires a laser transparent machine element that contains these attributes; dielectric layer, electrically conductive layer and mechanically stable.
2. We aim to develop a mathematical model of laser light interaction with the powder layer and the machine element. Based on the modelling results, identify and decide for the required laser operation regime (cw, ns, fs), power, wavelengths, focus geometry, focus depth and pulse repetition rate to achieve the desired fusion.
The project will apply special laser expertise and equipment that is connected to the research partners in the project.
Finally, we will demonstrate the principle through producing multi-material samples.