Droogtoren voor perfecte poeders

Egbert van Hattem

TNO-onderzoeker René Houben promoveerde op 27 september aan de Mesa+ vakgroep Physics of Fluids op een speciaal soort printkop, die uit stroperige oplossingen vloeistofbolletjes produceert. TNO in Eindhoven bouwt een vijftien meter hoge droogtoren speciaal voor het drogen van deze perfect ronde bolletjes. Op 15 november is de officiële opening.

De printkoppen vormen een vloeistofstraal die vlak voor het verlaten van de spuitmond in trilling wordt gebracht, meestal met behulp van een piëzo-element. De straal raakt verstoort en breekt op, in exact gedefinieerde, even grote (monodisperse) druppels. De werkdruk is hoog, tot enkele honderden bars.

Vooral voor de voedingssector, zoals bij de productie van melkpoeders, zorgt deze inkjet technologie voor nieuwe mogelijkheden. ‘De visceuze vloeistofdruppels, of eigenlijk opgebroken stralen, kunnen we inspuiten in een hoge droogtoren met meerdere nozzles tegelijk’, zegt Houben. De nozzle-gaten zijn met een laser geboord, onder exact de juiste hoek. In de toren verdampt de vloeistof. Beneden aangekomen worden de gedroogde deeltjes uit de luchtstroom verwijderd.

De inkjet-poeders verschillen dag en nacht van de poeders die men industrieel produceert met traditionele droogtorens, waarin oplossingen verneveld worden. Door turbulentie en botsingen vinden daarbij samenklonteringen en vormveranderingen plaats tijdens het droogproces. De poederstructuur is poreus, er zijn behoorlijke verschillen in grootte en de ultrakleine poederdeeltjes kunnen onder ongunstige voorwaarden tot stofexplosies leiden.

‘De voordelen van monodisperse druppels zijn evident, maar de eigenschappen van de inkjet-oplosdruppels wijken zo af dat we besloten hebben een speciale droogtoren ervoor te ontwikkelen’, zegt Houben. De inkjet-druppels zijn behalve mooi rond en gelijk in grootte, ook compact gebouwd. De gelijke druppelgrootte zorgt voor een energievoordeel, omdat de droge en warme lucht in de toren exact instelbaar is. In conventionele torens kiest men bij de afstelling voor de grootst aanwezige druppels.

Er is geen lucht in de inkjet-druppels aanwezig. Daarom duurt het wel langer voordat ze goed gedroogd zijn. Een hogere toren is daarom wenselijk. Houben: ‘Dat wil overigens niet zeggen dat het drogen per se meer energie kost. In de nieuwe experimentele droogtoren kunnen we alle parameters beheersen en op elkaar afstemmen, speciaal voor dit type druppels: de grootte, de snelheid van inspuiten en de droogcondities in de toren. Het zou uniek zijn als we tot ontwerpparameters voor de toren en het proces kunnen komen waarbij we de botsingen tussen de druppels helemaal kunnen uitsluiten.’

En er zijn meer mogelijkheden waar het hart van de procestechnoloog sneller van gaat kloppen. Behalve vorm en grootte zijn met de multi-nozzle inkjetkoppen ook richting, timing en snelheid beheersbaar. De viskeuze druppels kunnen door een scherm van vloeistof worden geschoten en vervolgens opgevangen. De druppels zijn dan als het ware gecoat. Ook reacties tussen de vloeistoffen zijn denkbaar, zoals emulsie- en gelatinevorming, neerslaan van reagens of zelfs controleerbare chemische reacties.

Houben werkt al elf jaar bij TNO Eindhoven aan alternatieve toepassingen van inkjet technologie. De opgebouwde expertise heeft inmiddels geleid tot 25 patenten en nu dus ook tot promotie aan de Universiteit Twente.

Houben: ‘Het droogsproeiproces is slechts een van de kansrijke toepassingsgebieden van inkjet-technologie. De holy grail ligt bij additive manufacturing waarmee laag voor laag verschillende functionele materialen, zelfs in elkaar overlopend, zijn op te bouwen. Ontwerpen en produceren op maat krijgen dan een andere betekenis. The Economist kwalificeerde de PrintValley machine, die we vorig jaar presenteerden op de EuroMold in Frankfurt, als voorloper in de derde industriële revolutie.’ In de machine is de productiesnelheid hoger dan in andere rapid prototyping machines, waar veel tijd verloren gaat met heen en weer versnellen. Honderd ‘dragers’ bewegen in een carrousel en passeren de spuitkoppen in een continu werk­proces.

Houben: ‘De productiesnelheid voor een onderdeel van 50x75x6 mm is teruggebracht van anderhalf uur naar zes seconden. Dat is een doorbraak. Echter zonder de continue verbeteringen in het behandelen van viskeuze vloeistoffen, zoals in de afgelopen tien jaren, was een mogelijk brede inzetbaarheid in industriële processen sowieso onmogelijk geweest.’