Additieve productie brengt licht in het duister

Achtergrondverlichte patronen – de creativiteit kent geen grenzen. © Fraunhofer IPA/Foto: Christian Bay

Verlichte deuorklep uit de 3D-printer. © Fraunhofer IPA/Foto: Christian Bay

De productie is arbeidsintensief, het recyclen is moeilijk: Complexe kunststofonderdelen die op bepaalde plaatsen doorzichtig moeten zijn, vragen veel van fabrikanten en afvalverwerkers. Met een uitgekiend 3D-printproces is het de experts van het Fraunhofer IPA en de Universiteit Bayreuth nu gelukt om deze onderdelen in slechts één enkele productiestap en volledig uit hetzelfde materiaal te vervaardigen.

Of het nu dashboard, sierstrips of de achterlichtknoppen en schakelaars voor airconditioning en radio zijn – veel automobielonderdelen en elektrische apparaten bevatten verlichte elementen of selectief verlichte symbolen. Tijdens het autorijden helpt het contrast van een donkere achtergrond en een helder symbool om de gewenste knop ’s nachts snel te herkennen en zich verder op het verkeer te concentreren.

Zelfs voor kleine onderdelen zoals knoppen en schakelaars zijn meerdere materialen met verschillende lichtdoorlatendheden, diverse processtappen of een wisselende dikte van het onderdeel nodig voor het vervaardigen van verlichte symbolen. Daarbij worden de verschillende materialen meestal onlosmakelijk met elkaar verbonden, wat de recycleerbaarheid sterk vermindert. De projectgroep Procesinnovatie van het Fraunhofer-Instituut voor Productietechniek en Automatisering IPA en het Technologie Impact Hub van de leerstoel Milieuvriendelijke Productietechniek van de Universiteit Bayreuth gebruiken de Additieve Fabricage om de productie van deze functionele kunststofonderdelen ecologischer en economischer te maken.

»Recycleerbaarheid en korte procestijden spelen een steeds belangrijkere rol bij de productie van technische onderdelen, vooral in de Additieve Fabricage«, zegt Marco Wimmer van het Fraunhofer IPA. »Door gebruik te maken van de potenties van de Additieve Fabricage, evenals innovatieve materialen en machinetechnologieën, ontstaan nieuwe fabricagemogelijkheden voor functionele onderdelen.«

Van poeder worden selectief translucente onderdelen

Als uitgangsmateriaal voor de additieve fabricage van selectief translucente onderdelen gebruikt het onderzoeksteam onder leiding van Wimmer fijn gemalen thermoplastisch kunststofpoeder. Bijvoorbeeld zachte thermoplastische elastomeren, stijve kunststoffen zoals polybutyleentereftalaat (PBT) of transparante of translucente copolymeren. Deze en andere commercieel verkrijgbare of nog in ontwikkeling zijnde kunststofpoeders parametriseren de wetenschappers uit Bayreuth voor High Speed Sintering (HSS) en verwerken ze proefondervindelijk. De resultaten presenteert het onderzoeksteam in het »HSS-Material Network«, een netwerk dat de beschikbaarheid van kunststofpoeders voor dienstverleners en gebruikers wil vergroten.

HSS behoort tot de poederbedverfahren van de »Powder Bed Fusion of Polymers with Infrared Radiation« (PBF-IR/P), een groep van additieve fabricageprocessen waarbij een dunne laag kunststofpoeder op een verwarmd bouwplatform wordt aangebracht en met behulp van inkjet-drogers wordt bevochtigd met een kleverige inkt. Vervolgens brengt een infrarood-stralingsbron het poederbed aan de kook. De inkt absorbeert de straling, wordt verwarmd en brengt het kunststofpoeder selectief aan het smelten. Door de hoeveelheid inkt die wordt aangebracht te variëren, kan het onderzoeksteam de eigenschappen van het onderdeel lokaal gericht beïnvloeden.

Licht en schaduw liggen dicht bij elkaar

Of een gebied doorzichtig is, wordt bepaald door de hoeveelheid inkt die lokaal op het kunststofpoeder is aangebracht. Voor het smelten van het kunststofpoeder is slechts een kleine hoeveelheid inkt nodig. Dit kleurt het onderdeel lichtgrijs, maar de translucente eigenschappen van het kunststofpoeder overheersen. Als meer dan de minimale hoeveelheid inkt die nodig is voor het smelten van het kunststof wordt aangebracht, neemt de lichtdoorlatendheid lokaal af.

De wetenschappers uit Bayreuth maken doelbewust gebruik van deze wisselwerking om additief vervaardigde onderdelen met hoog opgeloste patronen, tekst en symbolen te maken en deze met behulp van een lichtbron te laten oplichten. Dankzij de hoge resolutie van de inkjet-drogers kunnen naast harde contrasten tussen licht en donker ook vloeiende overgangen worden gerealiseerd.

Ecologisch en economisch op de snelweg

Gepersonaliseerde patronen, teksten en symbolen, complexe driedimensionale structuren met licht elementen of translucente onderdelen voor combinaties van sensoriek en verlichting – al dit kan dankzij dit uitgekiende 3D-printproces in één enkele productiestap en zonder constructieve aanpassing van de onderdelen worden vervaardigd. En omdat de kunststofonderdelen volledig uit hetzelfde materiaal bestaan, kunnen ze zonder problemen worden gerecycled.

»De Additieve Fabricage ontlast de natuur en de economie: Door duurzame productie en korte procestappen kunnen onderdelen zonder constructieve restricties worden functioneel gemaakt met selectief translucente structuren«, vat Wimmer samen.