3D-printen met goud en koper

FOM-onderzoekers 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.

3D-printen is nog steeds volop in opmars. Het wordt soms zelfs de nieuwe hoeksteen van de maakindustrie genoemd. Toch is er nog een grote slag te slaan in de 3D-printtechnieken. Momenteel worden er bijvoorbeeld vrijwel alleen plastics gebruikt. Dat is jammer, want metalen zijn een stuk steviger. Daarnaast kunnen metalen goed warmte en elektriciteit geleiden, waardoor met deze materialen geheel nieuwe onderdelen en devices uit de 3D-printer kunnen rollen, zoals kleine 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 daarom zeer uitdagend. Vooral voor kleine structuren (van 100 nanometer tot 10 micrometer) bestonden er nog geen goede oplossingen voor dit probleem.

Onderzoekers van FOM en de Universiteit Twente hebben nu 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 millimeter en een diameter van 5 micrometer. Ook printten zij  verticale elektrodes in een holte, en maakten zij lijnen van koper. Door de locatie van de druppelinslag slim te kiezen, kunnen er in feite willekeurige vormen worden geprint.

Hoge energie

Voor deze techniek moesten de onderzoekers een verrassend 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 zo 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.

In hun artikel in Advanced Materials leggen de onderzoekers uit welke snelheid nodig is om de gewenste druppelvorm te bereiken. Zij hadden deze snelheid eerder al theoretisch voorspeld, voor verschillende laserenergieën en metalen. 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.

Towards 3D Printing of Pure Metals by Laser-Induced Forward Transfer, Advanced Materials. 

Video: Het opstapelen van microdruppels leidt tot een pilaarvorm.