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:
Pulver overføres fra et reservoar til en transportør ved at det påtrykkes et elektrostatisk felt mellom dem (pulvertiltrekning). I denne prosessen tar pulveret til seg ladning fra reservoaret og henger seg fast i transportøren. Dette tilsvarer en ballong som festes i taket etter at å ha gnudd den i håret. 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 fordi maskinelementet forbinder prosesstrinnene; pulvertiltrekning og pulverdeponering. Pulvertiltrekning er enkelt å realisere så lenge man klarer å etablere et integrasjonselement som er elektrisk ledende, har et tynt elektrisk isolerende belegg og som samtidig er transparent for laser. Det å finne fram til en materialkombinasjonen og en oppbygning av integrasjonselementet som innfrir alle disse kravene samtidig er utfordrende og en av hovedoppgavene i prosjektet. Prosjektet har bygd en spesiallaget testrigg for å måle og prøve ut egenskapene til forskjellige materialer og kombinasjoner i integrasjonselementene.
Plassere pulver med laser:
Deponeringsprosessen hvor pulvermønster overføres fra integrasjonselementet til arbeidsstykket er utfordrende og et uløst problem. Vi undersøker om moderne laserteknologi kan anvendes til dette formålet. 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). LIFT er demonstrert å fungere i andre typer av prosesser, men ikke for additiv deponering av pulvermaterialer. Å undersøke LIFT for pulverdeponering er en hovedaktivitet i prosjektet. Vi undersøker også selektiv manipulering av pulverladning gjennom elektron emisjon (UV-laser eksponering) i kombinasjon med elektrostatisk overføring som deponeringsmetode. Det er bygget to små prototyper for å teste forskjellige laser kilder og integrasjonselementer med LIFT-teknologi.
Et slikt multi-materialt produksjonssystem med få formbegrensninger vil drastisk utvide designfriheten i konstruksjon og produksjon av nye produkter. Det vil også gjøre det mulig å begrense bruken av sjeldne materialer ettersom de kan brukes bare der de trengs i delen.
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.
