Doorbreken met nieuwe technologieën vraagt om de nodige basiskennis van die technologieën en hun mogelijkheden. We stellen ze aan u voor aan de hand van een reeks infofiches. Deze bijdrage van Jan Deckers van KU Leuven gaat dieper in op de additieve productie van keramiek, meerbepaald SLS (selective laser sintering) van composietpoederagglomeraten voor de productie van aluminiumoxide (alumina) en zirkoniumoxide (zirkonia) stukken.

Deze opbouwende techniek is ook geschikt  voor de productie van andere keramische materialen, zoals siliciumcarbide (SiC) werkstukken. De technologie werd na uitvoerig onderzoek gevalideerd in een labo-omgeving.

Het procedé bestaat uit volgende stappen:

• De productie van de composietpoederagglomeraten: elk poederdeeltje, met een afmeting van ca. 50 µm, bestaat uit submicro keramiekpartikels (bijv. 0,3 µm), die ingekapseld zijn in een polymeer- of wasmatrix.
• SLS: de composietpoederagglomeraten worden bewerkt met  SLS, om zo een 'groen' composietstuk te vormen.
• Nabewerking: in een verbrandingsstap (‘debinding’) wordt de polymeerfase verwijderd uit het via SLS bekomen composietstuk (typische opwarmsnelheid tijdens de verbranding: 0,1 °C/min). Bovendien kan de dichtheid van de stukken verhoogd worden door bijkomende verdichtingstechnieken (‘post-densification’) zoals  isostatisch persen of via infiltratiestappen. Zo kan bijvoorbeeld het ‘groene’ composietstuk alvorens de verbrandingsstap te ondergaan, eerst geïnfiltreerd worden met een suspensie bestaande uit submicro keramiekpartikels en vervolgens isostatisch geperst.

Het resultaat van deze bewerkingen is een keramisch werkstuk met ruwheidswaarden die vergelijkbaar zijn met die van het SLS-proces (d.i. Ra = 15-25 µm). De precisie van het groen composietstuk na SLS is min of meer dezelfde als die van polymeerstukken die via het klassieke SLS-procedé vervaardigd zijn. De nauwkeurigheid van de finale keramische stukken is nog niet volledig onderzocht.

Wanneer geen bijkomende verdichtingstechnieken worden toegepast, ligt de densiteit van de werkstukken tussen 40 en 80 procent, afhankelijk van de gebruikte fase van het bindmiddel. Worden wel  bijkomende verdichtingstechnieken ingezet, dan kan de dichtheid van de stukken oplopen tot 92 procent voor alumina en 94 procent voor zirkonia.

Met deze technologie kunnen ook complexe vormen worden geproduceerd.

Men is er nog niet in geslaagd gesloten porositeiten te bereiken. Dit is nodig om het toepassingsdomein te vergroten, van de productie van enkel poreus keramiek naar technische keramiek. Door echter de bijkomende verdichtingstechnieken en het poederproductieprocedé te optimaliseren wordt de productie van keramiek met gesloten porositeiten misschien mogelijk in de toekomst.

Onderzoek heeft uitgewezen dat alumina stukken met een dichtheid van 98 procent kunnen worden verwezenlijkt door gebruik te maken van een depositiesysteem op basis van een slurrie in plaats van een klassieke rollersysteem om de lagen te deponeren. Onderstaand een doorsnede-SEM-microbeeld van een poreus alumina stuk (densiteit van 48 procent) dat geproduceerd werd via SLS van composietpoederagglomeraten:

Dit artikel kwam tot stand dankzij het project "Doorbraaktechnologie voor een Vlaamse maakindustrie met toekomst” in het kader van Vlaanderen in Actie en met steun van het Agentschap Ondernemen.