3D-printen heeft zich de afgelopen jaren sterk ontwikkeld voor kunststoffen en metalen. Het Duitse ING3D kiest een andere richting. Het bedrijf uit Fürth ontwikkelde een procedé waarmee lichte, minerale materialen rechtstreeks kunnen worden geprint. Daarmee komen toepassingen op het gebied van onder meer thermische isolatie, brandbescherming en akoestiek in beeld. Vooral voor de isolatiebranche is de combinatie van mineraal materiaal en de grote vormvrijheid van 3D-printen interessant.
Van kunststof en metaal naar mineralen
ING3D is opgericht door materiaalkundige David Manjura. Hij begon in 2016 met proeven om te onderzoeken of minerale lichtgewichtmaterialen geschikt konden worden gemaakt voor additive manufacturing. Daaruit ontstond Mineral Direct Laser Sintering (MDLS). In tegenstelling tot veel bestaande 3D-printtechnieken maakt dit proces geen gebruik van kunststoffen of organische bindmiddelen.
Als grondstof gebruikt ING3D onder andere perliet, een natuurlijk vulkanisch glas dat door verhitting sterk kan expanderen en daardoor een zeer lichte en poreuze structuur krijgt. Perliet wordt al langer als isolatiemateriaal gebruikt. ING3D gebruikt een specifiek type geëxpandeerd perliet dat geschikt is gemaakt voor het lasersinterproces.
De ontwikkeling trok ook de aandacht van isolatiespecialist va-Q-tec. In 2020 investeerde va-Q-tec samen met een andere investeerder een bedrag van zeven cijfers in ING3D. Het doel was onder meer de ontwikkeling en opschaling van 3D-geprinte minerale isolatiematerialen. In 2023 vergrootte va-Q-tec zijn belang in ING3D van 15 naar 20 procent.
Hoe werkt MDLS?
Het productieproces vertoont overeenkomsten met poederbedgebaseerd lasersinteren. Een dunne laag mineraal poeder wordt aangebracht, waarna een CO₂-laser alleen die plaatsen verhit waar materiaal met elkaar moet worden verbonden. De oppervlakken van de afzonderlijke perlietkorrels smelten daarbij licht aan elkaar. Vervolgens wordt een nieuwe laag aangebracht en herhaalt het proces zich totdat het complete onderdeel is opgebouwd.
Een belangrijk verschil met verschillende keramische 3D-printtechnieken is dat ING3D geen afzonderlijk nasinterproces in een oven nodig heeft. Ook hoeven geen kunststof bindmiddelen aan het uitgangsmateriaal te worden toegevoegd. Volgens ING3D blijven daardoor de minerale eigenschappen van het materiaal behouden.
Het bedrijf stelt dat het MDLS-proces meer dan tien keer sneller kan zijn dan conventionele 3D-printprocessen, zoals kunststofprinten. Ook noemt ING3D een temperatuurbestendigheid tot circa 1.000 °C. De uiteindelijke prestaties hangen daarbij af van het materiaal, de geometrie en de toepassing.
Isoleren door vorm én materiaal
Voor technische isolatie is vooral de ontwerpvrijheid interessant. Bij conventionele isolatie wordt doorgaans eerst een materiaal met een bepaalde warmtegeleidingscoëfficiënt geselecteerd en vervolgens in een standaardvorm – bijvoorbeeld als schaal, plaat of mat – rond het object aangebracht.
3D-printen maakt een andere benadering mogelijk. Niet alleen het materiaal, maar ook de interne geometrie van het isolatieonderdeel kan worden ontworpen. Zo kunnen poreuze structuren, holle ruimten en verschillende wanddiktes in één onderdeel worden gecombineerd. ING3D noemt zelf multifunctionele isolatie-elementen waarin bijvoorbeeld isolerende, filterende en koelende functies kunnen worden samengebracht.
Daarmee ontstaat in theorie de mogelijkheid om isolatie veel nauwkeuriger af te stemmen op een specifieke component. Denk aan een onderdeel met uitsparingen voor aansluitingen, flenzen, sensoren of bevestigingspunten. Juist op plaatsen waar standaard pijpschalen en isolatiematten moeilijk aansluiten, kan deze ontwerpvrijheid interessant zijn.
Toepassingen binnen technische isolatie
Een van de toepassingsgebieden waarop ING3D zich richt, is hoogtemperatuurisolatie. Het bedrijf heeft onder andere gewerkt aan isolatie voor ovens. De combinatie van een mineraal uitgangsmateriaal, een laag gewicht en een hoge temperatuurbestendigheid maakt MDLS daarvoor interessant. ING3D noemt daarnaast brandbescherming als toepassingsgebied en heeft elementen ontwikkeld die volgens het bedrijf in bouwmateriaalklasse A1 kunnen worden uitgevoerd.
Voor de bredere isolatiebranche zijn ook toepassingen rond industriële installaties denkbaar. 3D-geprinte elementen zouden bijvoorbeeld op maat kunnen worden ontworpen voor complexe leidingdelen, appendages, pompen, afsluiters of andere componenten waarbij traditionele isolatie relatief arbeidsintensief is. Door hun vaak complexe vormen zijn deze componenten lastiger te isoleren dan rechte leidingdelen. Met additive manufacturing kan een isolatiedeel digitaal worden ontworpen op basis van de exacte geometrie van een component. Zo kunnen bijvoorbeeld tweedelige, demontabele isolatieschalen worden gemaakt met uitsparingen voor flenzen, boutverbindingen, spindels en aansluitingen.
De technologie van ING3D kan daarbij interessant zijn vanwege de combinatie van vormvrijheid, laag gewicht en temperatuurbestendigheid. In plaats van isolatiemateriaal ter plaatse rond een complexe appendage passend te maken, kan het isolerende element in theorie direct in de juiste vorm worden geproduceerd. Dat kan vooral voordelen bieden op plaatsen waar weinig ruimte beschikbaar is of waar een component regelmatig bereikbaar moet blijven voor inspectie en onderhoud. Daarmee biedt 3D-printen op termijn mogelijkheden om technische isolatie nadrukkelijker als maatwerkcomponent te ontwerpen.
ING3D noemt dergelijke specifieke toepassingen nog niet allemaal als commerciële producten; het gaat dus vooral om potentiële toepassingen die voortvloeien uit de vormvrijheid van het proces. Interessant is ook de samenwerking met va-Q-tec. Dat bedrijf is gespecialiseerd in Vacuum Insulation Panels (VIP’s). In het jaarverslag beschreef va-Q-tec de samenwerking met ING3D als een manier om nieuwe 3D-geprinte isolatiematerialen te ontwikkelen die complexe constructievormen en toepassingen bij hoge temperaturen mogelijk maken.
Nog geen vervanger van steenwol
De technologie betekent niet dat 3D-geprinte isolatie op korte termijn traditionele materialen zoals steenwol of calciumsilicaat zal vervangen. Deze materialen zijn relatief goedkoop, breed beschikbaar, genormeerd en eenvoudig op grote schaal te verwerken.
De kracht van 3D-printen lijkt voorlopig vooral te liggen bij toepassingen waarbij complexe geometrie, beperkte ruimte, hoge temperaturen of multifunctionaliteit een rol spelen. In dergelijke situaties kan het interessant zijn om een isolerend onderdeel exact voor zijn toepassing te ontwerpen, in plaats van standaard isolatiemateriaal ter plaatse passend te maken.
ING3D laat daarmee vooral zien dat additive manufacturing ook binnen technische isolatie nieuwe ontwerpprincipes mogelijk maakt. Isolatie is dan niet alleen materiaal dat rond een installatie wordt aangebracht, maar kan uitgroeien tot een volledig digitaal ontworpen technische component, waarin vorm, isolerende werking, gewicht en aanvullende functies vanaf het begin worden gecombineerd.
Tekst: Loet van Bergen