In een wereld waarin precisie en duurzaamheid centraal staan in de maakindustrie, hebben onderzoekers van Purdue University en internationale partners een technologische doorbraak gerealiseerd: een geavanceerd pulserend koudespraysysteem (PCS) voor het aanbrengen van metaalcoatings. Deze techniek, waarbij fijne metaaldeeltjes via korte gaspulsen met supersonische snelheid worden afgevuurd op een oppervlak, biedt een nauwkeurig, energiezuinig en veelzijdig alternatief voor traditionele coatingmethodes.
De techniek achter PCS draait om het versnellen van metaalpoeder door een reeks korte, krachtige gasstoten. Waar traditionele ‘cold spray’-systemen werken met een constante gasstroom, is PCS gebaseerd op pulsen. Deze schokgolven in het gas versnellen de poederdeeltjes tot hoge snelheden, waardoor ze zich hechten aan een oppervlak zonder dat daar hoge temperaturen aan te pas komen. Zo blijven de materiaaleigenschappen behouden en wordt oxidatie vermeden.
Deze aanpak maakt PCS niet alleen geschikt voor klassieke metaalcoatingtoepassingen, maar ook voor additive manufacturing, reparatie van onderdelen, en zelfs functionele metallisatie van kunststoffen en andere warmtegevoelige materialen. Doordat het proces bij lage temperatuur plaatsvindt, blijven zelfs complexe of kwetsbare substraten onbeschadigd.
Het prototype
Het onderzoeksteam ontwierp en bouwde een PCS-systeem met een zogenoemde convergerende-divergerende (CD) nozzle. Deze nozzle, geïnspireerd op straalmotoren en rakettechnologie, creëert gecontroleerde schokgolven die essentieel zijn voor het versnellen van het poeder. In het systeem worden luchtdrukgolven gestuurd met een solenoïdeklep die 200 milliseconden open en dicht gaat. Tijdens die korte tijd wordt poeder aangezogen en afgevuurd op het substraat.
Met behulp van koperpoeder en tinpoeder werden coatings aangebracht op onder meer aluminium en PET-folie. De gasdruk werd opgevoerd tot 12,4 bar en de resulterende metaaldeeltjes haalden snelheden tot 300 meter per seconde. Vooral tin bleek geschikt: het heeft een lage kritische snelheid voor hechting en laat zich dus goed gebruiken bij kamertemperatuur.
Deze flexibiliteit maakt het systeem geschikt voor uiteenlopende toepassingen, van industriële coating tot precisie-elektronica. Het prototypemodel is bovendien relatief compact en programmeerbaar, wat het interessant maakt voor zowel onderzoek als productie.
Voordelen
PCS heeft meerdere voordelen ten opzichte van klassieke koudespraytechnieken:
– Energie-efficiëntie: lagere temperaturen en gerichte pulsen besparen energie.
– Precisie: dankzij de pulsen kunnen zowel dichte als ‘open’ (sparse) structuren worden aangebracht.
– Materiaalbehoud: gevoelige materialen worden niet thermisch belast.
– Flexibiliteit: geschikt voor zowel metalen als polymeerondergronden.
De onderzoekers toonden aan dat PCS niet alleen dichte coatings kan aanbrengen, maar ook gespreide structuren, wat nuttig kan zijn voor elektronische toepassingen zoals geleidende paden op polymeren. Bovendien biedt het systeem de mogelijkheid om lokaal af te zetten, zonder het volledige oppervlak te bedekken, wat efficiëntie in materiaalgebruik en ontwerpvrijheid oplevert.
Een belangrijk deel van de studie bestond uit het modelleren van het tweefasen-gas-poederproces met behulp van Computational Fluid Dynamics (CFD). Deze simulaties werden gevalideerd met experimenten via Particle Image Velocimetry (PIV), waarbij laserpulsen de snelheid van metaaldeeltjes in beeld brengen.
De resultaten waren opvallend nauwkeurig: de afwijking tussen model en praktijk bleef beperkt tot 8 procent. De onderzoekers ontdekten dat de ideale periode om poeder toe te voegen zich bevindt tussen 50 en 150 milliseconden in de puls, precies wanneer de gassnelheid en druk maximaal zijn.
Tijdens dit venster vormen zich zogeheten Mach-diamanten – herkenbare schokgolven aan de uitgang van de nozzle – die wijzen op een optimaal supersonisch stromingsprofiel. Buiten deze tijdsspanne neemt de snelheid drastisch af, wat leidt tot lagere afzettingskwaliteit.
De simulaties lieten ook zien hoe deeltjes in het systeem bewegen, hoe ze botsen met de nozzlewanden en hoe turbulentie een rol speelt bij de spreiding van het poeder. Door deze inzichten kunnen toekomstige systemen veel nauwkeuriger worden afgestemd op specifieke toepassingen en materialen.
Van rebound tot spreiding
Uit de experimenten bleek ook dat poederdeeltjes zich niet alleen rechtlijnig bewegen. Door zwaartekracht, botsingen met de nozzlewand en variaties in snelheid ontstaat een complexe stroom. Vooral grotere deeltjes bewegen anders dan kleinere, wat leidt tot een ongelijke verdeling.
De onderzoekers gebruikten het zogeheten Stokes-getal om te bepalen of deeltjes vooral door hun eigen massa bewegen, of door de luchtstroom worden geleid. In alle gevallen bleek dat traagheid domineerde, wat betekent dat het traject van de deeltjes sterk afhankelijk is van de geometrie en timing van het systeem.
Opmerkelijk was dat het poeder ook ná afsluiting van de klep nog doorstroomde. De achterblijvende druk in de expansiekamer zorgde ervoor dat er nog materiaal werd uitgestoten, wat van invloed is op de precisie van het systeem. Dit geeft aan dat optimalisatie van de mechanica en timing van groot belang is voor consistent resultaat.
Hechting
De studie onderzocht ook hoe goed de coatings zich hechten aan het oppervlak. Met behulp van elektronenmicroscopie werden dwarsdoorsneden van de coatings geanalyseerd. Bij een afstand van 20 mm tot het oppervlak was de dekking het best: tot 3 tot 4 mm brede, dichte stippen met een porositeit van slechts 2,8 procent. Ter vergelijking: conventionele koudespraycoatings vertonen onder dezelfde omstandigheden vaak 4,9 procent porositeit.
Bij grotere afstanden (30 tot 40 mm) werd de afzetting schraler, doordat de deeltjes te veel snelheid verloren. Toch wisten sommige deeltjes zich ook dan nog te vervormen en te hechten, wat duidt op een robuuste hechting.
Ook de interne binding tussen de metaaldeeltjes was opvallend sterk: zelfs zonder verhitting vormden de deeltjes compacte, aaneengesmolten structuren. Dat is belangrijk voor toepassingen waarin elektrische geleiding of mechanische sterkte essentieel is.
Toekomstige toepassingen
De PCS-technologie is veelbelovend voor toepassingen waarin precisiecoating vereist is op gevoelige ondergronden, zoals:
- Printplaten en geleidende lagen op kunststof
- Reparatie van metaalstructuren en vliegtuigonderdelen
- Additive manufacturing van complexe metalen objecten
- Precisiecoating in medische instrumenten of sensoren
Omdat de techniek bij kamertemperatuur kan werken, is hij ideaal voor materialen die gevoelig zijn voor hitte, zoals polymeren of composieten. Bovendien biedt de mogelijkheid om zowel dichte als open structuren te spuiten flexibiliteit voor ontwerpers en engineers.
Een bijkomend voordeel is de schaalbaarheid: door meerdere nozzles parallel te gebruiken, kunnen grotere oppervlakken worden behandeld. Dit opent perspectieven voor industriële toepassingen, zoals in de auto- of luchtvaartindustrie.
De onderzoekers stellen voor om in volgende stappen de temperatuur van het aangevoerde gas te verhogen, om zo ook zwaardere poeders effectief te kunnen versnellen. Daarnaast is optimalisatie van de nozzlegeometrie en het inzetten van geavanceerdere turbulentie- en poedermodellen (zoals LES of DNS) een logische vervolgstap.
Ook het ontwikkelen van een slim klep- en doseersysteem dat exact timet wanneer en hoeveel poeder wordt ingebracht, zal bijdragen aan een hogere efficiëntie en reproduceerbaarheid. Denk aan toepassingen waarbij elke microgram telt, zoals in micro-elektronica, medische implantaten of sensortechnologie.
Voor de industrie betekent deze technologie een mogelijke sprong vooruit in precisiecoating, vooral als het gaat om moeilijk te hechten of gevoelige substraten. Of PCS de standaard wordt, zal afhangen van de kosten, schaalbaarheid en betrouwbaarheid op de lange termijn. Maar de eerste resultaten zijn veelbelovend, en het onderzoek laat zien dat zelfs complexe fysica zoals schokgolven en tweefasenstromen met de juiste aanpak beheersbaar worden.