Skräddarsydda gasblandningar förbättrar 3D-printing i metall

Genom att finjustera de gaser som används vid metallbaserad 3D-printing, tar industridoktoranden Kai Zissel tekniken binder jetting ett steg närmare storskalig industriell användning. Han avslutar nu sin forskarutbildning hos Linde, inom ramen för centrumet CAM² vid Chalmers tekniska högskola, där han har fördjupat sig i en lovande men fortfarande relativt ny teknik inom 3D-printing.

– Min forskning har framför allt handlat om processatmosfärer. Hur kan vi förbättra binder jetting-processen med hjälp av skräddarsydda gasblandningar? säger Kai Zissel.

Binder jetting är en form av 3D-printing som fungerar lite som en bläckstråleskrivare, men i stället för bläck och papper används ett flytande bindemedel som fäster ihop tunna lager av metallpulver. När komponenten skrivits ut härdas den och hettas sedan upp i en ugn. Under den så kallade avbindningen bränns bindemedlet bort, och pulvret smälts samman till ett fast metallstycke.

– Ett av de viktigaste resultaten är att vi genom att justera syrehalten kan ta bort bindemedlet mer effektivt och minska oxidation, samtidigt som vi behåller styrkan i komponenten, säger Kai Zissel.

Därför spelar atmosfären roll

Kai Zissels forskning undersöker hur olika gasblandningar under processen påverkar komponentens kvalitet, materialets renhet och möjligheten att återanvända pulver.

– Processatmosfärens betydelse i de här stegen förbises ofta. Men vi kan visa att rätt gasblandning förbättrar hela processen, från utskrift till värmebehandling, och ger betydligt bättre slutresultat, säger Kai Zissel.

Att till exempel härda i luft kan leda till oxidation av pulvret, vilket gör det svårt att återanvända. Inerta atmosfärer kan förhindra det, men vid avbindning kan just inerta gaser lämna kvar rester som försämrar slutkvaliteten. Reaktiva gaser, som väte, tar bort bindemedlet mer effektivt, men innebär i gengäld säkerhetsrisker.

– Genom att använda en låg syrehalt i avbindningssteget, och sedan använda en gas som argon vid uppvärmningen, kan vi få material som nästan håller samma höga kvalitet som när man använder väte. Om vi dessutom använder en särskilt anpassad gasblandning under första steget och väte under uppvärmningen, kan vi förbättra materialets egenskaper ännu mer, förklarar Kai Zissel.

Rätt gasblandning förbättrar hela processen, från utskrift till värmebehandling, och ger betydligt bättre slutresultat.

Från forskning till tillämpning

Pierre Forêt, Global Associate Director of Additive Manufacturing på Linde och Kai Zissels industrihandledare, betonar den praktiska nyttan av forskningen.

– Kais forskning har gett oss värdefulla insikter i en mycket ung teknologi. Tack vare det här arbetet har vi nu en färdig gasprodukt som kan hjälpa användare att förbättra sina processer, säger Pierre Forêt.

Även om tekniken fortfarande är under utveckling, växer intresset från industrin stadigt.

– Vi har tagit fram rätt lösning, och eftersom användningen förväntas öka de kommande åren kommer den här forskningens fulla betydelse att bli allt tydligare i takt med att tekniken mognar, säger han.

När akademi möter industri

Kai Zissel valde att göra sin forskarutbildning i industrin, inom ramen för centrumet CAM², för att dra nytta av både akademins och industrins styrkor.

– Jag ville jobba med något som har direkt påverkan i industrin, men samtidigt vara en del av en forskningsintensiv miljö. Det har varit en fantastisk möjlighet att få uppleva båda världar, med deras respektive utmaningar och styrkor, säger Zissel.

Pierre Forêt lyfter fram det strategiska värdet i samarbetet.

– På Linde har vi alltid värdesatt starka partnerskap mellan industri och akademi. När vi började utforska binder jetting som teknologi kändes det naturligt att samarbeta med Chalmers och CAM². Deras expertis inom pulvermetallurgi och binder jetting passade väl med våra mål inom metallurgi, säger han.

Vad händer härnäst?

Kai Zissel ser sin framtid i gränslandet mellan forskning och industri.

– Jag tycker om att arbeta med forskning som leder till något konkret, att se den få genomslag och komma till användning. Jag vill gärna ha en roll där jag kan bidra till att omsätta innovation i praktiken, och som kopplar samman akademi med industri, säger han.