Plasma-atomisatie: hoe je van metaaldraad perfect rond poeder maakt
Plasma-atomisatie is een techniek waarmee metaal wordt omgezet in een fijn, bolvormig poeder. Dat gebeurt door een dunne metaaldraad met razendhete plasmastralen te smelten en de druppeltjes die daarbij ontstaan in de lucht te laten afkoelen tot kleine, vrijwel perfect ronde korreltjes. Het resultaat is een poeder dat er, onder de microscoop, uitziet als een bak minuscule metalen knikkers.
Waarom zou je metaal eerst in draadvorm smelten en dan weer laten stollen als poeder? Omdat veel moderne productietechnieken, zoals 3D-printen met metaal, geen staven of platen nodig hebben maar juist poeder dat gelijkmatig kan vloeien, zoals zand door een zandloper. Hoe ronder en gelijkmatiger de poederkorrels, hoe beter een 3D-printer of een pers ze kan verwerken. Plasma-atomisatie levert van alle bekende methoden een van de meest zuivere en rondste poeders, en dat maakt het populair voor toepassingen waarbij precisie en betrouwbaarheid cruciaal zijn, zoals onderdelen voor vliegtuigmotoren of medische implantaten.
Wat is het precies?
Het proces begint met een draad van het gewenste metaal, bijvoorbeeld titanium, nikkel of een legering daarvan. Die draad wordt gelijkmatig naar voren geschoven, de kamer in waar het atomisatieproces plaatsvindt.
In die kamer staan meestal drie plasmatoortsen die vanuit verschillende hoeken op precies hetzelfde punt zijn gericht: het uiteinde van de draad. Een plasmatoorts maakt gebruik van plasma, vaak omschreven als de "vierde staat van materie" naast vast, vloeibaar en gas. Door een gas, meestal het inerte (niet-reactieve) edelgas argon, door een sterk elektrisch veld te sturen, wordt het gas zo heet dat de atomen uiteenvallen in geladen deeltjes. Deze plasmastraal kan temperaturen van ruim tienduizend graden Celsius bereiken, veel heter dan een gewone vlam.
Waar de drie plasmastralen samenkomen, smelt het uiteinde van de metaaldraad vrijwel onmiddellijk. De hoge energie en de gasstroom van de toortsen slaan het gesmolten metaal direct uiteen in een wolk van piepkleine druppeltjes, een proces dat atomiseren heet (letterlijk: in atomen, of eigenlijk in zeer kleine deeltjes, uiteenslaan). Door de oppervlaktespanning van het vloeibare metaal trekken deze druppeltjes zich vanzelf samen tot bolletjes, net zoals een regendruppel rond wordt.
Die bolletjes vallen vervolgens door een grote, met inert gas gevulde toren naar beneden. Tijdens die val koelen ze razendsnel af en stollen ze voordat ze de bodem van de toren bereiken. Omdat het hele proces in een zuurstofarme, inerte omgeving plaatsvindt, kan het gesmolten metaal niet oxideren (reageren met zuurstof), wat belangrijk is omdat metalen als titanium juist zeer reactief zijn en anders een broze oxidelaag zouden vormen. Onderaan wordt het poeder verzameld en vervolgens gezeefd op korrelgrootte, meestal in fracties tussen ongeveer 15 en 150 micrometer (duizendste millimeters), afhankelijk van de gewenste toepassing.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel van plasma-atomisatie is het maken van metaalpoeder met eigenschappen die andere productiemethoden niet, of minder goed, kunnen leveren: zeer bolvormige korrels, weinig interne poriƫn (holtes), een lage verontreiniging met zuurstof of andere gassen, en een goede, voorspelbare vloei-eigenschap.
Die eigenschappen zijn essentieel voor twee grote toepassingsgebieden. Ten eerste additive manufacturing, beter bekend als 3D-printen met metaal, waarbij een laser of elektronenbundel laag voor laag poederdeeltjes samensmelt tot een driedimensionaal object. Als de poederkorrels niet mooi rond zijn of onregelmatig van grootte, verspreidt het poeder zich ongelijkmatig over het printbed en ontstaan er zwakke plekken of poriƫn in het eindproduct. Ten tweede metaalspuitgieten (metal injection moulding) en poedermetallurgie in bredere zin, waarbij poeder wordt gemengd met een bindmiddel, in een mal gespoten en vervolgens gesinterd (aan elkaar gebakken onder hitte) tot een vast onderdeel.
Voor beide toepassingen geldt: hoe zuiverder en regelmatiger het poeder, hoe betrouwbaarder en sterker het uiteindelijke onderdeel. Dat is vooral belangrijk in de lucht- en ruimtevaart en de medische sector, waar onderdelen aan strenge veiligheidseisen moeten voldoen en falen simpelweg geen optie is. Plasma-atomisatie bestaat dus niet om metaalpoeder Ɣnders te maken, maar om het beter, zuiverder en betrouwbaarder te maken dan met goedkopere methoden mogelijk is.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bedrijf AP&C (Advanced Powders and Coatings), gevestigd in de Canadese provincie QuƩbec, geldt als een van de pioniers van commerciƫle plasma-atomisatie voor titaniumpoeder. De technologie is ontwikkeld voortbouwend op onderzoek van het Canadese energiebedrijf Hydro-QuƩbec en diens onderzoeksinstituut IREQ, en later commercieel verder gebracht via het bedrijf Raymor Industries. In 2016 nam GE Additive, de additive-manufacturing-tak van General Electric, AP&C over om verzekerd te zijn van een eigen bron van hoogwaardig titaniumpoeder voor onder meer lucht- en ruimtevaarttoepassingen.
Tekna Plasma Systems, eveneens gevestigd in QuĆ©bec (Sherbrooke), bouwt plasma-atomisatie-installaties en produceert zelf sferisch poeder van metalen als titanium en tantaal. Het bedrijf levert daarnaast apparatuur waarmee bestaand, onregelmatig gevormd poeder achteraf "sferoĆÆdiseerd" kan worden: opnieuw door een plasmastraal geleid om het ronder te maken.
In de lucht- en ruimtevaartindustrie wordt plasma-geatomiseerd titaniumlegeringspoeder, met name de veelgebruikte legering Ti-6Al-4V, ingezet voor 3D-geprinte structurele onderdelen, bijvoorbeeld bij motorenbouwers en vliegtuigfabrikanten die additive manufacturing gebruiken om lichtere, complexere onderdelen te maken dan met traditioneel frezen mogelijk is.
Ook in de medische sector wordt titaniumpoeder van deze kwaliteit gebruikt voor 3D-geprinte heup- en knie-implantaten en tandheelkundige onderdelen, waarbij de poreuze structuren die met poederdeeltjes van gecontroleerde grootte kunnen worden geprint, helpen bij het vastgroeien van bot aan het implantaat.
Hoe ver is de techniek?
Plasma-atomisatie is geen nieuwe, experimentele technologie meer; het wordt al enkele decennia commercieel toegepast en is technisch gezien volwassen. Wat de laatste jaren vooral verbetert, is de efficiƫntie: fabrikanten proberen het aandeel bruikbaar fijn poeder (de korrelgroottes die geschikt zijn voor 3D-printen) te vergroten, omdat een deel van elke productiebatch als te grof of te fijn wordt afgekeurd en opnieuw moet worden verwerkt.
De belangrijkste beperking van plasma-atomisatie is de kostprijs. Het proces vraagt veel elektriciteit voor de plasmatoortsen en relatief dure grondstofdraad, waardoor plasma-geatomiseerd poeder duurder is dan poeder gemaakt met de meest gangbare concurrerende methode, gasatomisatie. Bij gasatomisatie wordt een stroom vloeibaar metaal uit een smeltkroes met hogedrukgas uiteengeblazen; dat is goedkoper en geschikter voor grote volumes, maar levert doorgaans iets minder ronde en iets minder zuivere korrels op. Voor metalen die extra reactief of hoogwaardig moeten zijn, zoals titanium voor de lucht- en ruimtevaart, wordt het prijsverschil vaak voor lief genomen.
Een andere ontwikkeling om in de gaten te houden is de opkomst van varianten en concurrerende technieken zoals de "plasma rotating electrode process" (waarbij een draaiende metalen staaf door een plasmaboog wordt gesmolten en het gesmolten metaal door de centrifugale kracht wordt weggeslingerd) en "electrode induction gas atomization", die elk hun eigen balans zoeken tussen kosten, zuiverheid en korrelvorm. Er is dus geen sprake van Ć©Ć©n winnende techniek; de keuze hangt af van het metaal, de gewenste korrelgrootte en het budget.
Wie werken eraan?
Canada, met name de provincie QuƩbec, geldt als een belangrijk centrum voor plasma-atomisatietechnologie, met bedrijven als AP&C (onderdeel van GE Additive) en Tekna Plasma Systems die daar zijn ontstaan, mede dankzij vroeg onderzoek bij het Hydro-QuƩbec-onderzoeksinstituut IREQ.
In de Verenigde Staten heeft General Electric via GE Additive een direct belang in de technologie door het eigendom van AP&C, en zijn er poederproducenten zoals Carpenter Technology actief, die verschillende atomisatiemethoden combineren voor metaalpoeders ten behoeve van de additive-manufacturing-industrie.
Daarnaast zijn er onderzoeksinstituten en universiteiten wereldwijd, onder meer in Duitsland (waar instituten als Fraunhofer onderzoek doen naar poedermetallurgie en additive manufacturing) en China (waar verschillende staatsbedrijven en universiteiten actief onderzoek doen naar atomisatietechnieken voor titanium- en nikkelpoeders), die bijdragen aan verdere optimalisatie van het proces. Internationale standaardisatieorganisaties zoals ASTM International spelen een rol door normen op te stellen waaraan metaalpoeders voor additive manufacturing moeten voldoen, ongeacht met welke atomisatiemethode ze zijn gemaakt.