Metall-Binder-Jetting meistern: Innovation, Anwendungen und Industriechancen

Bild oben: M5-Schrauben, 3D-gedruckt mit Digital Metals System [Bildquelle: Digital Metal]

Metall-Binder-Jetting erlebt eine Renaissance. Im letzten Jahrzehnt sind viele neue Unternehmen in einen Wettbewerbsmodus eingetreten, jeder mit seinem eigenen Ansatz für diese Technologie.

Diese Aktivität wird teilweise durch die vielen lukrativen Chancen befeuert, die diese Technologie bietet. Zum einen kann die hohe Geschwindigkeit und Präzision des Metall-Binder-Jetting-Prozesses ihn als neue Hochvolumen-Produktionsmethode etablieren.

Welche Entwicklungen treiben den Erfolg dieser Technologie voran?

Heute betrachten wir, wie sich Metall-Binder-Jetting entwickelt hat und warum es als neue Fertigungstechnologie durchstartet.

Die Ursprünge des Metall-Binder-Jetting

Die Ursprünge der Metall-Binder-Jetting-Technologie reichen zurück bis 1993, als das Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein tintenstrahlbasiertes Verfahren entwickelte, um dreidimensionale Objekte aus Metallpulvern zu erstellen.

Interessanterweise wurde der Begriff „3D Printing“ ursprünglich vom MIT in Bezug auf die Metall-Binder-Jetting-Technologie geprägt.

Das Fertigungsunternehmen Extrude Hone Corporation erhielt 1996 eine Exklusivlizenz für MITs Technologie. Seitdem hat das Unternehmen Metall-Binder-Jetting-Systeme entwickelt und kommerzialisiert, wobei der erste 3D-Drucker, ProMetal RTS-300, 1999 an Motorola ausgeliefert wurde.

ExOne, das 2005 aus Extrude Hone Corporation ausgegliedert wurde, blieb bis in die frühen 2010er Jahre das einzige Unternehmen, das Metall-Binder-Jetting-Services und -Systeme anbot. Damals begannen die frühen MIT-Patente für die Technologie auszulaufen, was neuen Unternehmen den Markteintritt ermöglichte.

Seitdem wurde Metall-Binder-Jetting mit der Vision wiederbelebt, diese Technologie wirklich productionsreif für verschiedene Branchen zu machen.

Wie funktioniert Metall-Binder-Jetting?

Beim Metall-Binder-Jetting wird ein flüssiges Bindemittel selektiv aufgetragen, um Pulverpartikel Schicht für Schicht zu verbinden.

Der Prozess beginnt mit dem Auftragen einer dünnen Pulverschicht, wobei Druckköpfe strategisch Bindemitteltropfen in das Pulverbett deponieren. Die Druckplatte senkt sich ab und eine weitere Pulverschicht wird aufgetragen.

Der Prozess wiederholt sich, bis das Bauteil fertig ist, wobei ungenutztes Pulver (ca. 95 %) recycelt wird.

Beim Metall-Binder-Jetting verbleiben frisch gedruckte Teile in einem fragilen „grünen“ Zustand und erfordern nachfolgende Nachbearbeitung wie Sintern und Infiltration, um das Bauteil zu festigen.

Zusätzlich zu Metallen kann Binder Jetting auch mit anderen Materialien wie Sand und Keramik arbeiten.

Nachbearbeitungsschritte für Metall-Binder-Jetting

Traditionelle Binder-Jetting-Technologie nutzt einen Druckkopf, um flüssiges Bindemittel auf Pulverschichten aufzutragen.

Beim Drucken von Metallen mit Binder-Jetting-Technologie erfordern die Bauteile jedoch verschiedene Nachbearbeitungsschritte, da sie ursprünglich in ihrem grünen Zustand gedruckt werden – was bedeutet, dass sie geringe mechanische Eigenschaften besitzen und oft schwach und spröde sind. Die Nachbearbeitung zielt darauf ab, die Teile zu stärken, und umfasst Aushärten, Sintern, Infiltration und weitere Finish-Prozesse.

1. Aushärten (Curing)

Aushärten erhöht die Festigkeit der grünen Teile, damit sie sicher aus dem Druckbett entnommen werden können. Während des Prozesses werden die Teile in einem Ofen bei ca. 200 °C für mehrere Stunden gehärtet, was zu deutlich festeren Teilen führt.

2. Sintern

Trotz Aushärtens bleiben die Metallteile hochporös. Die Porosität kann jedoch durch Sintern oder Infiltration signifikant reduziert werden. Typischerweise findet der Sinterprozess in einem Ofen mit kontrollierter Atmosphäre statt, wo das Bauteil bei ca. 1000 °C für 24–36 Stunden wärmebehandelt wird und das Bindemittel verbrennt. Dies verschmilzt die Metallpartikel miteinander und resultiert in einem dichten Metallteil mit geringer Porosität. Sintern kann jedoch inhomogene Schrumpfung verursachen und ist schwer vorherzusagen – dies muss daher bereits in der Designphase berücksichtigt werden.

3. Infiltration

Um hohe Dichte zu erreichen, muss das Bauteil infiltriert werden, um die durch das Verbrennen des Bindemittels entstandenen Hohlräume zu füllen. Dies geschieht meist durch Aufbringen von geschmolzener Bronze, die die verbleibenden Poren im Bauteil infiltriert. Diese Nachbearbeitungsschritte verbessern die mechanischen Eigenschaften des Metallteils erheblich; beispielsweise kann Bronze-Infiltration von Edelstahl eine Enddichte von 95 % erreichen.

4. Finish (Finishing)

Schließlich kann das Bauteil optional poliert und mit Gold oder Nickel beschichtet werden, um ästhetisch ansprechende Oberflächen zu erzielen.

Warum startet Metall-Binder-Jetting als Produktionstechnologie durch?

Metall-Binder-Jetting bietet eine Reihe einzigartiger Vorteile, die seine Adoption für Produktionsanwendungen erleichtern.

Erstens schmilzt Binder Jetting das Metallpulver während des Druckprozesses nicht, was Probleme durch Aufbauschlüsselspannungen eliminiert.

Zweitens sind für den Metall-Binder-Jetting-Prozess keine Stützstrukturen erforderlich, da gedruckte Teile von loseem, ungenutztem Pulver umgeben sind. Beide Vorteile helfen, Nachbearbeitung auf ein Minimum zu reduzieren.

Zudem sind Binder-Jetting-Maschinen günstiger als 3D-Drucker basierend auf SLM- oder DED-Prozessen. Ein Grund: Sie nutzen keine teuren Laser oder Elektronenstrahlen.

Neuere Metall-Binder-Jetting-Maschinen können auch Metal Injection Moulding (MIM)-Pulver verwenden. Diese sind deutlich günstiger als für 3D-Druck speziell entwickelte Metallpulver, die typischerweise in geringen Volumen mit teuren Verfahren wie Gasverdüsen hergestellt werden.

Der Wechsel zu MIM-Pulvern ermöglicht Herstellern daher, die Betriebskosten dieser Technologie weiter zu senken.

Zusätzlich zu günstigerem Rohmaterial bietet Binder Jetting die Fähigkeit, sehr präzise Teile mit mechanischen Eigenschaften zu drucken, die mit traditionell gefertigten Metallkomponenten vergleichbar sind.

Schließlich ist die Geschwindigkeit des Metall-Binder-Jetting-Prozesses typischerweise schneller als die anderer Metall-3D-Druckverfahren. All diese Vorteile kombiniert ergeben eine hochskalierbare und productionsfähige Technologie.

Neueste Entwicklungen, die Metall-Binder-Jetting vorantreiben

Die 2010er markieren ein neues Zeitalter für Metall-Binder-Jetting. Von Startups bis zu etablierten Playern arbeiten diverse Unternehmen aktiv daran, die Grenzen des derzeit Machbaren mit Metall-Binder-Jetting-Technologie zu verschieben.

ExOne innoviert weiter

ExOne ist einer der ältesten Akteure im Metall-Binder-Jetting. Im Laufe seiner Geschichte hat ExOne vier Metall-Binder-Jetting-Systeme auf den Markt gebracht, jedes eine Evolution des Vorgängers.

Beispielsweise führte das Unternehmen 2018 den Innovent+ ein, der eine neue Generation von Metall-Binder-Jetting-Systemen bei ExOne markiert. Obwohl das System langsamer ist als ExOnes vorheriger M-Flex-3D-Drucker, verfügt es über zwei wichtige neue Features.

Erstens ist er mit einem Ultraschall-Recoater ausgestattet, der die Pulverfließfähigkeit verbessert und Materialwechsel vereinfacht. ExOne bezeichnet den neuen Recoater als die fortschrittlichste Pulverdosiertechnologie am Markt.

Der Recoater bietet vier Siebkonfigurationen für größere Materialkompatibilität. Dies spielt in eine weitere Schlüsselentwicklung hinein: Die Maschine kann Standard-MIM-Pulver verarbeiten.

Andere Pulverbett-Metall-3D-Drucker, insbesondere solche mit Laser oder Elektronenstrahl, erfordern speziell formulierte Pulver für konsistente Ergebnisse. Solche Pulver sind jedoch oft deutlich teurer als Materialien für traditionelle Metallverarbeitungstechnologien.

Indem der Innovent+ MIM-Pulver unterstützt, kann ExOne Kosteneinsparungen und größere Materialflexibilität für seine Maschinennutzer einführen.

Das Unternehmen skalierte die Technologie hinter dem Innovent+ weiter in einen Produktions-X1-25PRO-3D-Drucker. Vorgestellt letzten Monat, kann die Maschine bis zu 10 verschiedene Materialien auf ihrem großen 400 × 250 × 250 mm Bauraum drucken.

Mit diesem System zielt das Unternehmen darauf ab, die Produktion industrieller Metallkomponenten mit hoher Auflösung, engen Toleranzen und verbesserter Oberflächengüte zu ermöglichen.

Digital Metal: Automatisierung des Metall-Binder-Jetting

Ein weiteres Unternehmen, das in der Entwicklung von Metall-Binder-Jetting Spuren hinterlässt, ist Digital Metal, eine Tochtergesellschaft des führenden Metallpulverherstellers Höganäs Group.

Digital Metal wurde 2012 gegründet und bot seine Metall-Binder-Jetting-Technologie ab 2013 als Service an.

2017 lancierte Digital Metal seinen DM P2500 3D-Drucker, gedacht für die Serienproduktion kleiner, komplexer Teile.

Die Maschine arbeitet, indem sie eine 0,042 mm dicke Metallpulverschicht aufträgt. Ein Bindemittel wird gemäß der Bauteilgeometrie gejettet. Der Prozess wird als präzise und wiederholbar berichtet, was die Fertigung sehr kleiner, aber unglaublich detaillierter Teile bei 35 Mikron Auflösung ermöglicht.

Das anschließende Sintern ergibt eine durchschnittliche Oberflächenrauheit von Ra 6,0 Mikron – fein genug für viele Endverwendungsbauteile und Features wie interne Kanäle.

Digital Metal gibt an, dass seine Metall-3D-Drucker bereits über 300.000 Komponenten in verschiedenen Branchen produziert haben, darunter Luftfahrt, Luxusgüter, Dentalwerkzeuge und Industrieanlagen.

Um seine Technologie weiterzuentwickeln, hat Digital Metal letztes Jahr ein vollautomatisiertes Produktionskonzept gestartet.

Nach diesem Konzept übernimmt ein Roboter die meisten Prozessschritte wie das Bestücken des Druckers mit Baukisten und deren Entnahme für die Nachbearbeitung. Ziel ist es, alle manuelle Arbeit zu eliminieren, um kontinuierliche Hochvolumenproduktion zu ermöglichen.

Mit dem Launch dieser „No-Hands“-Produktionslinie hat Digital Metal einen riesigen Sprung nach vorne mit seiner Metall-Binder-Jetting-Technologie gemacht.

HPs Metal Jet: 3D-Druck als kostenneutrale Produktionswahl

Nach der Enthüllung seiner Multi Jet Fusion Technologie für Polymerbauteile 2016 führte HP 2018 die nächste Erweiterung seiner additiven Angebote ein: sein Metal Jet 3D-Drucksystem.

Der neue Metall-3D-Drucker wird von Binder-Jetting-Technologie angetrieben. Der einzigartige Vorteil, den HP in diese Technologie einbrachte, liegt in seiner innovativen Druckkopf- und Tintentechnologie.

Obwohl Binder-Jetting-Technologie inhärent schnell ist, hat HP sein Druckkopf-Wissen angewendet, um sie noch schneller zu machen. Das Metal Jet System ist mit 6 Druckköpfen mit je 5.280 Düsen ausgestattet. Diese mehrfachen Düsenreihen bringen höhere Produktivität und Zuverlässigkeit in den Drucker.

Zudem hat HP durch seine Expertise in Tintentechnologie ein innovatives Bindemittel entwickelt, das den Sinterprozess schneller und günstiger macht.

„Beim Metal Injection Moulding haben Sie typischerweise mehr als 10 Gewichtsprozent Bindemittel, das ausgebrannt werden muss. In unserem Fall sind es weniger als 1 %, was eine Größenordnung weniger ist – was das Sintern schneller, kostengünstiger und viel simpler macht“, sagt Tim Weber, HPs Global Head of Metals, in einem Interview mit AMFG.

Diese Fortschritte kombiniert resultieren in einem Metall-3D-Drucker, der angeblich Ökonomien und Effizienzen erreicht, die mit konventionellen Produktionstechnologien vergleichbar sind.

HP verkauft die Maschine noch nicht. Stattdessen hat das Unternehmen einen Teileproduktionsservice gestartet und plant, den 3D-Drucker 2020 kommerziell verfügbar zu machen. Angesichts der Behauptungen HPs zu Metal Jet könnte diese Technologie der Schlüssel sein, um ein nachhaltiges Wertversprechen für Metall-3D-Druck in der Hochvolumenproduktion zu erschließen.

3DEO: Kombination von Binder Jetting und Fräsen

Viele Unternehmen streben an, Metall-3D-Druck wettbewerbsfähig mit anderen Fertigungstechniken zu machen. Eines davon ist 3DEO, 2016 gegründet mit dem Ziel, Hochvolumenproduktion durch Metall-Binder-Jetting zu ermöglichen.

Um dies zu erreichen, hat das Unternehmen den Prozess komplett neu erfunden. Statt Tintenstrahl zur selektiven Bindemittelablage nutzt 3DEOs Maschinen ein proprietäres Sprühsystem, um das Bindemittel gleichmäßig über die gesamte Schicht aufzutragen.

Das Resultat ist eine harte, dünne Metallpulverschicht, die dann mit Mikro-Fräsern bearbeitet wird. Die CNC-Operation schneidet die Bauteilform für jede Schicht aus.

Diese Technologie, genannt Intelligent Layering, stellt die erste Instanz der Kombination von Binder Jetting und CNC-Fräsen in einem hybriden System dar. Eine solche Kombination ermöglicht 3DEO, sehr präzise kleine Metallteile mit über 99,5 % Dichte nach Sintern zu erstellen.

3DEOs Intelligent Layering Technologie wird derzeit nur über den firmeneigenen Produktionsservice angeboten. Indem die Technologie auf den eigenen Service limitiert wird, stellt 3DEO hohe Qualität der gedruckten Teile sicher und hält die Plattform sehr flexibel.

Derzeit arbeitet 3DEO an einigen der größten Aufträge der Metall-3D-Druck-Industrie und hat kürzlich einen Auftrag über 28.000 Teile gewonnen.

Obwohl das Unternehmen nicht plant, seine Maschinen zu verkaufen, dienen die wachsenden Produktionsvolumen als Validierung der Fähigkeit von Binder Jetting, Produktionsbauteile auf Niveau konventionell gefertigter Komponenten zu liefern.

Desktop Metal: Metallteile mit beeindruckender Geschwindigkeit drucken

Das Bostoner Startup Desktop Metal wurde 2015 mit dem Ziel gegründet, das Versprechen von 3D-Druck für Produktion im Maßstab zu erfüllen. Dazu hat das Unternehmen das extrem schnelle Production System entwickelt.

Die Technologie hinter dem Metall-3D-Drucker nennt das Unternehmen Single Pass Jetting (SPJ), eine schnellere Version des typischen Binder-Jetting-Prozesses.

Das System verfügt über zwei vollbreite Druckköpfe, fortschrittliche Pulververteiler und ein Anti-Ballistik-System, die Pulver effektiv verteilen und in einem einzigen schnellen Pass über den Baubereich drucken.

Mit einem Bauraum von 750 × 330 × 250 mm ermöglicht dieses bidirektionale System hochauflösenden Druck bei bis zu 12.000 cm³/h, was über 60 kg Metallteile pro Stunde entspricht. Eine solche Geschwindigkeit ist um Größenordnungen schneller als andere Metall-3D-Drucker am Markt, was es ideal für die Produktion komplexer Metallteile in hohen Volumen macht.

Zudem ist das Production System das erste Binder-Jet-System, das mit einer industriellen Inert-Umgebung ausgestattet ist, die Gasrecycling und Lösungsmittelrückgewinnung für den sicheren Druck reaktiver Metalle bietet. Dies eröffnet die Möglichkeit, ein breiteres Metallspektrum zu drucken, beispielsweise Aluminium.

Mit seinem Production System hat Desktop Metal die Vorteile der Metall-Binder-Jetting-Technologie durch substantielle Geschwindigkeitsverbesserung maximiert.

Desktop Metal hat sein Production System erst kürzlich zum Kauf verfügbar gemacht, sodass es Zeit braucht, um zu sehen, ob die Produktionsgeschwindigkeitsansprüche bewiesen werden. Falls ja, wird das Production System der schnellste Binder-Jetting-3D-Drucker am Markt sein.

Ausblick in die Zukunft

Metall-Binder-Jetting wird zu einer der Schlüsseltechnologien im Metall-3D-Druck, die für Produktion geeignet sind. Ermöglicht wird dies durch die einzigartigen Fähigkeiten der Technologie, hohe Druckgeschwindigkeiten zu erreichen und hochpräzise Komponenten herzustellen.

Ein weiterer Schlüsseltreiber für den Erfolg von Metall-Binder-Jetting ist seine Kompatibilität mit bereits bekannten und relativ günstigen MIM-Pulvern.

Eine Reihe von Unternehmen hat das Durchbruchspotenzial von Metall-Binder-Jetting erkannt und arbeitet hart daran, die sich bietenden Chancen zu nutzen.

Künftig werden wir sehen, wie diese Unternehmen Metall-Binder-Jetting weiterentwickeln. Letztlich wird dies der Technologie helfen, einen wertvollen Anteil am gesamten Fertigungsmarkt zu erobern.

>> Mehr über Metall-3D-Druck in unserem Definitive Metal 3D Printing Guide.