Het apparaat kan onder andere aluminium, roestvrijstaal en titanium printen, maar waar het voor DIFFER om gaat, is dat ook wolfraam ermee aan elkaar gesmolten kan worden. Dat materiaal kan extreme omstandigheden doorstaan en dat is nodig als je een hitteschild maakt voor een kernfusiereactor, want daar binnenin kan de temperatuur oplopen tot zo’n 150 miljoen graden Celsius.

Juist de speciale kwaliteiten die wolfraam zo geschikt maken voor dit soort toepassingen, zorgen dat het ook een heel moeilijk materiaal is om mee te printen, vertelt universitair hoofddocent Hans van Dommelen, die vanuit de faculteit Mechanical Engineering betrokken is bij het onderzoeksproject met DIFFER. “Wolfraam heeft een heel hoog smeltpunt, maar ook een hoge warmtegeleiding, wat betekent dat het warmte weer snel kwijt is. En het is heel bros bij lage temperaturen, waardoor er scheuren ontstaan.”

Vloeibare metalen

De reden dat het wolfraam voor de hitteschilden geprint moet worden, is dat het van binnen een soort open structuur moet krijgen waar vloeibaar metaal als lithium of tin door naar buiten kan sijpelen. Die vloeistof zou ervoor moeten zorgen dat het wolfraam minder erodeert. “Op dit moment bestaan hittebestendige reactorwanden nog uit dichte blokjes van wolfraam”, vertelt Van Dommelen. “Dat voldoet voor kernfusiereactors als ITER in Frankrijk, die alleen voor experimenten soms aanstaan. Maar als je naar de volgende generatie reactors gaat kijken dan voldoet zo’n wand niet meer. Het materiaal moet dan jarenlang condities weerstaan die gelijk staan aan tien keer de belasting waar een spaceshuttle mee te maken krijgt als het de dampkring binnenkomt.”

Omdat vloeibaar metaal geen kristalstructuur heeft, zoals wolfraam, kunnen het plasma en de neutronen in de reactor het simpelweg niet kapotschieten. Door in de oppervlakte van het wolfraam een soort sponsstructuur te creëren, wordt het vloeibare metaal op zijn plek gehouden.

LiMeS

“Het is nog maar een concept, dat zegt dat het in principe zou moeten werken”, zegt Van Dommelen. “Het is nog geen werkende oplossing. Om daar toe te komen is het LiMeS (Liquid-Metal Shield) lab opgericht in samenwerking met DIFFER.” Dankzij de toekenning van een NWO Groot-beurs van 2,5 miljoen euro was het mogelijk om het lab op te zetten, ook de printer – hoewel gehuisd in het EPC – is er een onderdeel van. Later volgt nog een plasma-opstelling bij DIFFER, waarmee de schilden getest kunnen worden. Bij het ‘testgedeelte’ van het onderzoek is vooral de faculteit Applied Physics betrokken vanuit de TU/e.

Kort geleden kreeg het project voor onderzoek ook nog financiering toegewezen vanuit het Open Technologieprogramma van de NWO. Ook Philips is daarbij betrokken. “Bij Philips in Best printen ze ook al veel wolfraam. Ze hebben al veel expertise”, vertelt Van Dommelen. “Het bedrijf doet ook onderzoek naar het verbeteren van het printproces, maar de machine die wij nu hebben gaat nog veel verder qua specificaties dan wat zij hebben.” Voor beide partijen is het volgens hem daarom interessant om in dit onderzoek samen op te trekken.

De kennis en expertise die bij het EPC aanwezig zijn, kunnen helpen bij het project, denkt Van Dommelen. Daar is al het een en ander uitgeprobeerd met het apparaat: op een tafel naast de 3D-printer ligt een geknoopt vacuümbuisje, een bieropener en een testblokje voor het hitteschild-project (zie hoofdfoto). Het zijn allemaal proefjes om te zien hoe het printen gaat en om te kijken hoe sterk het materiaal wordt en of er spanningen in zitten, vertelt Erwin Dekkers, die de komst van de printer vanuit het EPC coördineerde.

Wat deze 3D-printer volgens hem bijzonder maakt, is de manier waarop het metaal aan elkaar wordt gesmolten. “Een laser schrijft met vijf meter per seconde een vorm in een heel dun laagje metaalpoeder, zó dun dat je voor een werkje van dertig millimeter hoog al zo’n duizend lagen nodig hebt. Bij elke laag zakt de basisplaat een stukje naar beneden. Als de printer klaar is, veeg je met een kwastje al het poeder weg en dan komt het werkstuk tevoorschijn. Dat poeder filteren we om weer te kunnen gebruiken, je hebt heel weinig afval.” Omdat er met puur metaal wordt gewerkt zijn er geen restproducten of vervuiling in het resultaat, wat de kwaliteit ten goede komt, voegt hij toe.

Poeder

Het enige nadeel is dat de printer er erg lang over doet, urenlang over een klein blokje metaal. En het gebruik van de machine heeft nogal wat voeten in de aarde, omdat het gevaarlijk kan zijn, vertelt Dekkers. “Dat zit hem vooral in het poeder dat we gebruiken. Dat inademen of op je huid krijgen is allebei niet goed. RVS-poeder is ook potentieel kankerverwekkend. We moeten dus veel bescherming dragen. De ruimte is goed afgesloten en heeft onderdruk zodat er geen poeder ontsnapt.”

Bij specifiek titaan- en aluminiumpoeder is ook de brandbaarheid nog een probleem, dat poeder kan gemakkelijk ontbranden of zelfs exploderen. In de machine zelf zal dat echter nooit gebeuren, omdat daarin een argon atmosfeer is en geen zuurstof. Dat de instrumentmakers om te 3D-printen een volgelaatsmasker aan moeten, is volgens Dekkers ook niet zo’n probleem. “Ik heb gehoord dat die best comfortabel zijn.”

Zelf maken

Wanneer de printer aan het echte onderzoekswerk gaat beginnen, weet Dekkers niet. Vooralsnog heeft het EPC er vooral brandstofverstuivers en warmtewisselaars mee geprint. Maar veel is mogelijk, benadrukt hij. “Branders, reactors, waveguides, coolers, heaters en rare vormen die niet op een andere manier te maken zijn: het kan allemaal. Ook voor studententeams kunnen we dingen maken. In het verleden hebben we voor University Racing Eindhoven onderdelen nabewerkt die door andere bedrijven geprint waren, nu kunnen we dat soort onderdelen ook zelf maken.” Kom vooral met opdrachten, wil hij maar zeggen.