Onderzoekers van FOM aan de Universiteit Twente hebben een manier gevonden om 3D te printen met metalen. Zij gebruikten hiervoor goud en koper, dat zij met laserlicht lieten smelten tot microdruppels. Als de techniek verder is uitgekristalliseerd, zal printen met metalen, gels, pasta’s, of extreem dikke vloeistoffen mogelijk zijn.
3D-printen is in opkomst, maar er is nog een grote slag te slaan in de 3D-printtechnieken. Momenteel worden voornamelijk kunststoffen gebruikt om te 3D-printen. Maar metalen zijn robuuster en kunnen goed warmte en elektriciteit geleiden. Hierdoor kunnen geheel nieuwe onderdelen en apparaten uit de 3D-printer rollen, zoals koelers of verbindingen tussen gestapelde chips in smartphones.
Het probleem is dat metalen een hoog smeltpunt hebben. Zelfs met geavanceerde apparatuur is het smelten en gecontroleerd deponeren van deze materialen uitdagend. Vooral voor kleine structuren (van 100 nm tot 10 µm) bestonden nog geen goede oplossingen voor dit probleem.
FOM gebruikt laserlicht
Onderzoekers van FOM en de Universiteit Twente hebben een belangrijke stap gezet richting de oplossing. Zij gebruikten laserlicht om koper en goud te smelten tot microdruppels en deze gecontroleerd neer te leggen. Hierbij wordt een gepulste laser op een metaallaagje gefocust, dat vervolgens smelt en vervormt tot een druppel. De onderzoekers plaatsen de druppel vervolgens op een grondlaag. Door dit herhaaldelijk te doen kan er worden geprint.
De onderzoekers stapelden bijvoorbeeld duizenden druppels tot micropilaren met een hoogte van 2 mm en een diameter van 5 µm. Ook printten zij verticale elektrodes in een holte en maakten zij lijnen van koper. Door de locatie van de druppelinslag slim te kiezen, kunnen willekeurige vormen worden geprint.
Hoge energie
Voor deze techniek moesten de onderzoekers een sterke laser gebruiken. De energie van het laserlicht verhoogt de snelheid van de druppels, waardoor deze bij neerkomst op de ondergrond vervormen tot een schijf of pannenkoekvorm en vervolgens stollen. Bij eerdere pogingen gebruikten fysici vaak lage laserenergieën. Hiermee kunnen de apparaten wel kleinere druppels printen, maar de stolling is altijd bolvormig, wat een nadelige invloed heeft op de stevigheid van de geprinte structuur.
De wetenschappers onderzochten welke snelheid nodig is om de gewenste druppelvorm te bereiken. Zij hadden deze snelheid voor verschillende laserenergieën en metalen eerder al theoretisch voorspeld. Dit betekent dat de resultaten nu ook kunnen worden vertaald naar andere materialen.
Een probleem is nog dat de hoge laserenergie ook leidt tot druppels die naast de gewenste locatie op de grondlaag landen. Dat is momenteel nog niet te voorkomen. In toekomstig werk zal het team dit effect onderzoeken, om daarmee schoon printen met metalen, gels, pasta’s, of extreem dikke vloeistoffen mogelijk te maken.
