Eddy Brinkman, NKV

De Nederlandse Keramische Vereniging (NKV) bracht een bedrijfsbezoek aan Admatec Europe en Formatec Ceramics in hun gezamenlijke gebouw in het Brabantse Goirle. Met meer dan 40 leden en geïnteresseerden was het een hele mooie opkomst op deze dinsdagmiddag 26 november 2019. Jaco Saurwalt, COO van Admatec en Formatec, heette de gasten onder het genot van een drankje van harte welkom, waarna medewerkers van beide bedrijven ons uitleg gaven over hun activiteiten.

Harrie Sneijers praatte ons bij over Formatec Ceramics – opgericht in 1996, en inmiddels met 21 FTE aan medewerkers in dienst. Het bedrijf vervaardigt producten van technisch-keramische materialen zoals aluminiumoxide, zirkoonoxide en siliciumnitride, en doet ook zelf aan R&D op dit gebied. Spuitgieten (ceramic injection moulding, CIM) is het belangrijkste proces waarmee Formatec producten maakt. Keramisch poeder wordt onder iets verhoogde temperatuur met een binder, die een polymeer als hoofdbestanddeel heeft, gemengd tot een viskeuze pasta. Deze pasta wordt tot korrels vermalen, die vervolgens de spuitgietmachine ingaan waar een schroef de pasta in een meerdelige mal duwt. Deze mal wordt gelost, met het ‘groene keramische product’ als resultaat. Groen slaat hierbij niet op de kleur, maar op de toestand waarbij het materiaal nog niet is gebakken, en daardoor nog geen ‘volwassen’ eindproduct is. Het materiaal is nu nog zacht genoeg om eventueel te bewerken door middel van frezen, draaien en boren.
Na deze vormgeving ondergaat het groene product een warmtebehandeling in meerdere stappen. Eerst wordt een bestanddeel van de binder verwijderd om porositeit te creëren, zodat bij de tweede stap, het uitstoken van het polymeer, gas kan ontsnappen dat ontstaat tijdens het verbranden. Afhankelijk van het type binder kan dat met water, warmte of formaldehyde. Deze binder had z’n nut tijdens de vormgeving, maar hierna niet meer. Vervolgens worden de keramische korrels (3-4 micron) van het product bij temperaturen ver boven de 1000 graden Celsius aan elkaar gebakken. Tijdens dit proces, sinteren genaamd, krijgt het product z’n uiteindelijke sterkte doordat de korrels hechter en dus sterker met elkaar worden verbonden. Vaste-stof-diffusie van de atomen is hiervoor verantwoordelijk. Maar er gebeurt nog meer: de ruimte tussen de korrels verdwijnt, waardoor het product krimpt – tot wel 30%. Je moet dus bij het ontwerpen van de spuitgietmal eerder in het proces al rekening houden met deze krimp, door de inhoud van de mal zo’n 30% groter te maken. Dit luistert heel nauw, en hierbij komt de nodige expertise om de hoek kijken.
Na het sinteren volgt de nabewerking, waarbij het product met bijv. slijpen of polijsten de precieze afmeting en het gewenste uiterlijk krijgt. De gemaakte technisch-keramische producten zijn enerzijds functioneel – slijtvast, bio-inert of bestand tegen hoge temperatuur. Maar het oog wil ook wat, en een ander toepassingsgebied ligt meer op het esthetische vlak: als (uitwendige) componenten van horloges, mobiele telefoons en sierraden.
Formatec is op de toekomst voorbereid, getuige hun R&D-activiteiten. Harrie noemde hierbij het gecombineerd spuitgieten van twee verschillende keramische materialen, waarbij de juiste warmtebehandelingstrajecten voor het uitstoken van de binder en het sinteren moeten worden gevonden. Ook de ontwikkeling van keramische componenten met zeer nauwkeurige afmetingen heeft de nodige aandacht, zoals micro-componenten met gaatjes van 125 micron en een tolerantie van 2 micron. Met de elektrische eigenschappen van keramische materialen wordt gespeeld om vonkerosie mogelijk te maken als bewerkingtechniek, of om zirkoonoxide met gunstige eigenschappen tegen elektrostatische ontlading te verkrijgen. Een laatste ontwikkeling is het metaal-spuitgieten (MIM) van bijv. molybdeen en koper als zusje van het keramische spuitgietproces dat hierboven is beschreven.

Loran Mak vertelde over de historie en de huidige activiteiten van Admatec Europe. Het bedrijf is voortgekomen uit een project in 2012 tussen het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) en Formatec Ceramics, over additive manufacturing van keramiek. ‘Additief’ betekent hier dat je producten maakt door met niets te beginnen en steeds, laag voor laag, een product opbouwt. Vooral geschikt als je producten snel en op maat wilt maken, zonder (veel) materiaalverlies en juist met veel ontwerpvrijheid. Een andere benaming voor de ‘goede Nederlandse term’ additive manufacturing is 3D-printen.
Om keramische of metalen producten te printen maakt Admatec gebruik van Digital Light Processing (DLP), een vervaardigingstechniek die gebaseerd is op stereolithografie. Bij DLP wordt keramisch of metaalpoeder gemengd met een vloeibare polymeer die gevoelig is voor ultraviolet licht. In de printer wordt een dunne laag van deze hoogviskeuze printvloeistof via tapegieten op een horizontale, doorzichtige plastic folie aangebracht. Met CAD-software wordt een 3D-modelbestand van het te printen voorwerp gegenereerd, dat vervolgens in laagjes van ca. 50 micron wordt verdeeld, en als patroon in de printer wordt ingevoerd. Hierna gaat het ‘echte printen’ van start – of liever gezegd: het indirecte printen. Tijdens elke stap van het printen gaat de printkop omlaag zodat deze kop de printvloeistof op de folie raakt. Specifieke gedeeltes van de UV-gevoelige polymeer op de doorzichtige folie worden nu van onderaf belicht met ultraviolet licht vanuit LEDs. Per laag wordt het patroon dus in de printvloeistof geprojecteerd, waardoor de belichte gedeeltes uitharden. Hierna gaat de printkop met de nieuwe uitgeharde laag weer omhoog, en de folie met printvloeistof schuift door. Deze stappen herhalen zich tot het gehele product geprint is. Het 3D-geprinte groene voorwerp gaat nu een oven in om de uitgeharde fotogevoelige polymeer te verwijderen, en gaat daarna de sinteroven in. Er zit een zekere analogie tussen spuitgieten en DLP, want het zijn beide vormgevingstechnieken – elk op hun eigen manier – die worden gevolgd door een sinterstap om de uiteindelijke materiaaleigenschappen van het uiteindelijke voorwerp te realiseren.
Typische materialen die Admatec print zijn aluminiumoxide, zirkoonoxide, kwartsglas (‘fused silica’), roestvast staal 316L en koper. Denk hierbij qua toepassingen aan elektrische isolatoren, speciaal gevormde warmtewisselaars binnen de procesindustrie, onderdelen binnen de high-tech machinebouw, motor/turbine-onderdelen binnen de lucht- en ruimtevaart – maar ook aan consumententoepassingen zoals onderdelen van gehoorapparaten.

Principe van Digital Light Processing (DLP)

Pablo Gonzalez van Admatec ging dieper in op onderzoek aan keramische (bio)materialen met geleidelijk variërende samenstelling of structuur – oftewel ‘functionally graded’ keramische materialen. Omdat bij additive manufacturing voorwerpen laag voor laag geprint worden, kun je zorgen dat het geprojecteerde patroon van een bepaalde laag steeds iets varieert ten opzichte van een vorige laag, waardoor je een gradiënt in de structuur van het voorwerp krijgt. Zo kun je bijvoorbeeld zorgen voor een dichte buitenkant met een poreuze binnenkant – net als de structuur van je eigen botten. Door te spelen met de porositeit – grootte en vorm van de poriën – kun je variaties krijgen in de sterkte en de mate waarin celgroei bij voorkeur kan plaatsvinden in het sponsachtige botweefsel. Diverse biomaterialen zijn onderwerp van onderzoek, zoals aluminiumoxide en hydroxylapatiet. Onder meer door de afgegeven ontstekingsstoffen in de tijd te volgen, laten de voorlopige resultaten van een case study zien dat implantaten gemaakt van hydroxylapatiet met additive manufacturing (op z’n minst) vergelijkbaar zijn met de meer traditionele maakprocessen.

Na deze verhalen konden de aanwezigen het aangehoorde met eigen ogen bekijken, tijdens de rondleiding door de labs van Formatec en Admatec. De NKV-bijeenkomst werd afgesloten in uitspanning de Flierefluiter in het naburige Hilvarenbeek, waar de aanwezigen genoten van een driegangenbuffet, en er tijdens dit hapje & drankje nog over deze en andere keramische zaken werd nagepraat. Het bleef nog lang onrustig in Brabant …

Dit verslag van het bedrijfsbezoek van de NKV aan Formatec en Admatec is ook te vinden in het vaktijdschrift KGK, Jaargang 41 (2020) nr. 1, pag. 19-21