New principle for production of layered three-dimensional multi-material products

Prosjektet hadde som mål å utvikle en multimaterial produksjonsprosess for produksjon av geometrisk komplekse deler. Delene kunne da bygges med de ønskede materialene på riktig sted i delen, slik som for eksempel 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 var å videreutvikle additiv teknologi (3D-print) slik at den kunne fremstille geometrisk nøyaktige flermetallprodukter med vilkårlig form. Prosjektet tok utgangspunkt i en metode for fremstilling av flermetall pulverlag utviklet ved NTNU og SINTEF. Utfordringen var både å overføre pulverlaget til delen som ble bygget og å oppnå god sammenbinding med delen. Prosjektet skulle undersøke om dette kunne la seg gjøre ved hjelp av moderne laserteknologi i kombinasjon med elektrofotografi. Laser-fysikkmiljøet ved NTNU, materialmiljøet ved SINTEF Industri og produksjonsmiljøet ved SINTEF Manufacturing skulle i fellesskap søke etter en løsning på denne utfordringen. Elektrofotografi er basert på to naturlige fenomener; materialer med motsatt elektrisk polaritet tiltrekker hverandre, og det finnes materialer som blir elektrisk ledende når de utsettes for lys. Basert på disse fenomenene kan elektrofotografi skape og overføre tonerbilder til ark i en sekstrinns prosess 1. Hele overflaten på en fotoreseptor lades i mørket. Fotoreseptoren har egenskapen at den yter elektrisk motstand i mørket og er elektrisk ledende ved belysning. 2. Et mønster tegnes deretter på fotoreseptoren med en lysstråle og slik skaper vi et usynlig bilde bestående av ladninger. 3. Ladningsbildet fremkalles deretter med toner av motsatt polaritet, og vi har skapt et synlig bilde på fotoreseptoren. 4. Bildet trekkes deretter over på papiret med et elektrostatisk felt, og ladninger deponeres på baksiden av arket for å holde toneren på plass. 5. Papiret og tonerbildet passerer så mellom to varmevalser som presser og smelter toneren fast. Papiret kommer så ut av kopimaskinen klar til henting. 6. Fotoreseptoren rengjøres, og neste syklus kan starte. I en fargeskriver benyttes en fotoreseptor for hver farge (Cyan, Magenta, Yellow og Key (svart)), og fargebildet skapes ved sekvensiell overføring av de respektive fargene. Vi har utviklet et element som erstatter papiret, slik at tonerbildet (metallpulver i vårt tilfelle) kan overføres til elementet i stedet for til papiret. Elementet transporteres til produktet som skal motta pulverbildet, og deretter bruker vi moderne laserteknologi for å overføre pulverbildet fra elementet til produktet. Pulverbildet smeltes deretter fast til produktet med bruk av en additiv tilvirkningsmetode kjent som Powder Bed Fusion. Vi har forsøkt flere konsepter, og har lyktes med en av dem. Metoden gjør at elektrofotografiprosessen ikke lenger er en metode for å overføre toner til papir, men den kan nå overføre pulverbilder til ethvert underlag. Powder Bed Fusion er en metode som bygger opp et produkt lag for lag, og vår nyutviklede løsning er et tillegg til elektrofotografien som gir mulighet for å overføre pulverbilder lag for lag. Vi har dermed skapt grunnlaget for å utvikle en ny additiv prosess som kan prosessere lag for lag med multimateriale bilder, og dermed kan multimateriale produkter skapes. Konklusjon: Prosjektet har svart positivt på en utfordring som SINTEF og NTNU har jobbet med i 35 år, Utviklingen tar utgangspunkt i professors Bjørkes patent fra 1993. Hverken Karlsen og Bakkelund’s patent fra 2001 eller Karlsen og Åsebø’s patent fra 2007 har vist seg realiserbare. Store internasjonale interessenter som var med å utvikle elektrofotografiprosessen, har henvendt seg til oss og spurt om vi virkelig kan gjøre dette, det vil si stable bilder oppå bilder. Dette viser oss at IPR sikring er presserende. Det er lagt ut en video på LinkedIn som beskriver den første testen for å verifisere at en slik prosess kan fungere: https://www.linkedin.com/posts/vegard-br%C3%B8tan-886a0440_cirp-sintef-additivemanufacturing-activity-7082976317549215744-wfTF?utm_source=share&utm_medium=member_desktop

Vi mener at løsningen vi har utviklet ikke bare adresserer vår opprinnelige utfordring med å skape en prosess for å produsere multimateriale produkter med fri geometri, men også fungerer som et generelt tillegg til elektrofotografiprosessen. Dette gjør det mulig for hele print-industrien å bruke elektrofotografi i nye markeder. Vi er overbevist om at denne løsningen er den første i verden som kan stable bilder av metallpulver, og at mange bruksområder vil bli oppdaget når teknologien tas i bruk og blir kjent.

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.