Grundlegendes zum Binder-Jetting-3D-Druck:Prinzipien, Vorteile und Einschränkungen

In dieser Einführung in den Binder-Jetting-3D-Druck behandeln wir die Grundprinzipien der Technologie. Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, werden Sie die grundlegenden Mechanismen des Binder-Jetting-Prozesses verstehen und wissen, wie diese mit seinen Vorteilen und Einschränkungen zusammenhängen.

Wie funktioniert Binder Jetting?

So funktioniert der Binder Jetting-Prozess:

I. Zuerst verteilt eine Nachbeschichtungsklinge eine dünne Pulverschicht auf der Bauplattform.

II. Dann fährt ein Wagen mit Tintenstrahldüsen (die den Düsen ähneln, die in Desktop-2D-Druckern verwendet werden) über das Bett und setzt selektiv Tröpfchen eines Bindemittels (Klebstoffs) ab, die die Pulverpartikel miteinander verbinden. Beim vollfarbigen Binder Jetting wird in diesem Schritt auch die farbige Tinte aufgetragen. Die Größe jedes Tropfens beträgt ca. 80 μm im Durchmesser, sodass eine gute Auflösung erreicht werden kann.

III. Wenn die Schicht fertig ist, bewegt sich die Bauplattform nach unten und die Klinge beschichtet die Oberfläche erneut. Der Vorgang wiederholt sich dann, bis das gesamte Teil fertig ist.

IV. Nach dem Drucken wird das Teil in das Pulver eingekapselt und lässt es aushärten und an Festigkeit gewinnen. Anschließend wird das Teil aus dem Pulverbehälter entnommen und das ungebundene, überschüssige Pulver per Druckluft gereinigt.

Je nach Material ist in der Regel ein Nachbearbeitungsschritt erforderlich. Beispielsweise müssen Binder-Jetting-Metallteile gesintert werden (oder anderweitig wärmebehandelt) oder infiltriert mit einem Metall mit niedriger Schmelztemperatur (typischerweise Bronze). Vollfarbige Prototypen werden außerdem mit Acryl infiltriert und beschichtet, um die Lebendigkeit der Farben zu verbessern. Sandgusskerne und -formen sind in der Regel nach dem 3D-Druck einsatzbereit.

Dies liegt daran, dass die Teile in einem „grünen“ Zustand sind, wenn sie den Drucker verlassen. Binder Jetting-Teile im Grünzustand haben schlechte mechanische Eigenschaften (sie sind sehr spröde) und eine hohe Porosität.

Schema eines Binder Jetting 3D-Druckers

Was sind die Merkmale des Binder Jetting 3D-Drucks?

Druckerparameter

Beim Binder Jetting sind nahezu alle Prozessparameter vom Maschinenhersteller voreingestellt.

Die typische Schichthöhe Hängt vom Material ab:Bei Vollfarbmodellen beträgt die typische Schichthöhe 100 Mikrometer, bei Metallteilen 50 Mikrometer und bei Sandgussformmaterialien 200–400 Mikrometer.

Ein wesentlicher Vorteil von Binder Jetting gegenüber anderen 3D-Druckverfahren besteht darin, dass die Verklebung bei Raumtemperatur erfolgt . Dies bedeutet, dass Dimensionsverzerrungen im Zusammenhang mit thermischen Effekten (z. B. Verziehen bei FDM, SLS, DMSL/SLM oder Kräuseln bei SLA/DLP) beim Binder Jetting kein Problem darstellen.

Daraus ergibt sich das Bauvolumen der Binder Jetting-Maschinen gehören zu den größten im Vergleich zu allen 3D-Drucktechnologien (bis zu 2200 x 1200 x 600 mm). Diese großen Maschinen werden in der Regel zur Herstellung von Sandgussformen eingesetzt. Metall-Binder-Jetting-Systeme haben typischerweise größere Bauvolumina als DMSL/SLM-Systeme (bis zu 800 x 500 x 400 mm), was die parallele Herstellung mehrerer Teile gleichzeitig ermöglicht. Die maximale Teilegröße ist jedoch aufgrund der Nachbearbeitung auf eine empfohlene Länge von bis zu 50 mm beschränkt.

Darüber hinaus erfordert Binder Jetting keine Stützstrukturen :Das umgebende Pulver verleiht dem Teil die notwendige Unterstützung (ähnlich wie bei SLS). Dies ist ein wesentlicher Unterschied zwischen Metall-Binder-Jetting und anderen Metall-3D-Druckverfahren, die in der Regel den umfangreichen Einsatz von Stützstrukturen erfordern und die Erstellung von Freiform-Metallstrukturen mit sehr wenigen geometrischen Einschränkungen ermöglichen. Geometrische Ungenauigkeiten beim Metall-Binder-Jetting sind hauptsächlich auf die Nachbearbeitungsschritte zurückzuführen, wie in einem späteren Abschnitt erläutert.

Da die Teile beim Binder Jetting nicht an der Bauplattform befestigt werden müssen, kann das gesamte Bauvolumen genutzt werden. Somit eignet sich Binder Jetting für die Klein- bis Mittelserienfertigung . Um die vollen Möglichkeiten des Binder Jetting nutzen zu können, ist es sehr wichtig zu überlegen, wie das gesamte Bauvolumen der Maschine effektiv gefüllt werden kann (Bin-Packing).

Kleine Metallbinderdüse mit feinen Löchern von großer Maßgenauigkeit.

Bild mit freundlicher Genehmigung von Digital Metal

Vollfarb-Binder-Jetting

Binder Jetting kann auf ähnliche Weise wie Material Jetting vollfarbige 3D-gedruckte Teile herstellen. Aufgrund seiner geringen Kosten wird es häufig für den 3D-Druck von Figuren und topografischen Karten verwendet.

Vollfarbmodelle werden mit Sandsteinpulver oder PMMA-Pulver gedruckt. Der Hauptdruckkopf spritzt zunächst das Bindemittel aus, während ein Nebendruckkopf eine farbige Tinte ausstößt. Tinten mit unterschiedlichen Farben können kombiniert werden, um eine sehr große Farbpalette zu erzeugen, ähnlich wie bei einem 2D-Tintenstrahldrucker.

Nach dem Drucken werden die Teile mit Cyanacrylat (Superkleber) oder einem anderen Infiltriermittel beschichtet, um die Festigkeit der Teile zu verbessern und die Lebendigkeit der Farben zu verstärken. Anschließend kann auch eine sekundäre Epoxidschicht hinzugefügt werden, um die Festigkeit und das Erscheinungsbild der Farbe weiter zu verbessern. Trotz dieser zusätzlichen Schritte sind Vollfarb-Binder-Jetting-Teile sehr spröde und werden nicht für funktionelle Anwendungen empfohlen.

Um Vollfarbdrucke zu erstellen, muss ein CAD-Modell bereitgestellt werden, das die Farbinformationen enthält. Farbe kann auf zwei Arten auf CAD-Modelle angewendet werden:per Flächenansatz oder als Texturkarte. Das Auftragen von Farbe auf Flächenbasis lässt sich schnell und einfach umsetzen, aber die Verwendung einer Textur-Map ermöglicht mehr Kontrolle und mehr Details. Spezifische Anweisungen finden Sie in Ihrer nativen CAD-Software.

Ein Vollfarbdruck, gedruckt in Sandstein mit Binder Jetting

Sandgusskerne und -formen

Die Herstellung großer Sandgussmodelle ist eine der häufigsten Anwendungen für Binder Jetting. Die geringen Kosten und die Geschwindigkeit des Verfahrens machen es zu einer hervorragenden Lösung für aufwendige Musterentwürfe, die mit herkömmlichen Techniken nur sehr schwer oder gar nicht herzustellen wären.

Die Kerne und Formen werden im Allgemeinen mit Sand oder Kieselsäure gedruckt. Nach dem Drucken sind die Formen in der Regel sofort zum Gießen bereit. Üblicherweise wird das gegossene Metallbauteil nach dem Guss durch Brechen der Form aus ihnen entfernt. Auch wenn diese Formen nur einmal verwendet werden, sind die Zeit- und Kosteneinsparungen im Vergleich zur herkömmlichen Herstellung erheblich.

Mehrteilige Sandgussbaugruppe zum Gießen eines Motorblocks.

Bild mit freundlicher Genehmigung von ExOne

Metallbinderspritzen

Metal Binder Jetting ist bis zu 10x wirtschaftlicher als andere Metall-3D-Druckverfahren (DMSL/SLM). Darüber hinaus ist die Baugröße beim Binder Jetting erheblich groß und die hergestellten Teile erfordern keine Stützstrukturen beim Drucken und ermöglicht so die Erstellung komplexer Geometrien. Dies macht das Metall-Binder-Jetting zu einer sehr attraktiven Technologie für die niedrige bis mittlere Metallproduktion .

Der Hauptnachteil von Metall-Binder-Jetting-Teilen sind ihre mechanischen Eigenschaften, die für High-End-Anwendungen nicht geeignet sind. Dennoch entsprechen die Materialeigenschaften der hergestellten Teile denen von Metallteilen, die mit Metallspritzguss hergestellt werden, einem der am weitesten verbreiteten Herstellungsverfahren für die Massenproduktion von Metallteilen.

Infiltration und Sintern

Metall-Binder-Jetting-Teile erfordern nach dem Drucken einen zweiten Prozess, wie z. B. die Infiltration oder Sintern , um ihre guten mechanischen Eigenschaften zu erreichen, da die gedruckten Teile im Wesentlichen aus Metallpartikeln bestehen, die mit einem Polymerkleber miteinander verbunden sind.

Infiltration: Nach dem Drucken wird das Teil in einen Ofen gelegt, wo das Bindemittel ausgebrannt wird und Hohlräume entstehen. Zu diesem Zeitpunkt ist das Teil zu etwa 60 % porös. Anschließend wird Bronze verwendet, um die Hohlräume durch Kapillarwirkung zu infiltrieren, was zu Teilen mit geringer Porosität und guter Festigkeit führt.

Sintern: Nach Abschluss des Druckvorgangs werden die Teile in einen Hochtemperaturofen gegeben, wo das Bindemittel ausgebrannt und die verbleibenden Metallpartikel zusammengesintert (verbunden) werden, was zu Teilen mit sehr geringer Porosität führt.

Ein aus Edelstahl gedruckter und mit Bronze infiltrierter Öl- und Gasstator. Beachten Sie die Oberflächenbeschaffenheit, die typisch für Binder Jetted-Teile ist.

Bild mit freundlicher Genehmigung von ExOne

Eigenschaften von Metall-Binder-Jetting

Genauigkeit und Toleranz können je nach Modell stark variieren und sind schwer vorherzusagen, da sie stark von der Geometrie abhängen. Beispielsweise schrumpfen Teile mit einer Länge von bis zu 25–75 mm nach der Infiltration zwischen 0,8 und 2 %, während größere Teile eine geschätzte durchschnittliche Schrumpfung von 3 % aufweisen. Beim Sintern beträgt die Bauteilschrumpfung ca. 20 %. Die Abmessungen der Teile werden schwundkompensiert durch die Software der Maschine, aber ungleichmäßige Schrumpfung kann ein Problem sein und muss in der Entwurfsphase in Zusammenarbeit mit dem Bediener der Binder Jetting-Maschine berücksichtigt werden.

Auch der Nachbearbeitungsschritt kann die Ursache für Ungenauigkeiten sein. Beim Sintern beispielsweise wird das Teil auf eine hohe Temperatur erhitzt und wird weicher. In diesem weicheren Zustand sind nicht unterstützte Bereiche vorhanden könnten sich unter ihrem Eigengewicht verformen. Da das Teil beim Sintern schrumpft, kommt es zudem zu Reibung zwischen der Ofenplatte und der Unterseite des Teils, was zu Verwerfungen führen kann . Auch hier ist die Kommunikation mit dem Binder-Jetting-Maschinenbediener von entscheidender Bedeutung, um optimale Ergebnisse zu gewährleisten.

Gesinterte oder infiltrierte Binder Jetting-Metallteile weisen eine innere Porosität auf (Beim Sintern entstehen 97 % dichte Teile, beim Infiltrieren etwa 90 %). Dies beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften von Binder-Jetting-Metallteilen, da die Hohlräume zur Rissbildung führen können. Ermüdungs- und Bruchfestigkeit sowie Bruchdehnung sind die Materialeigenschaften, die am stärksten von der inneren Porosität beeinflusst werden. Fortschrittliche metallurgische Verfahren (wie heißisostatisches Pressen oder HIP) können angewendet werden, um Teile herzustellen, die nahezu keine innere Porosität aufweisen. Für Anwendungen, bei denen die mechanische Leistung jedoch von entscheidender Bedeutung ist, sind DMLS oder SLM die empfohlenen Lösungen.

Ein Vorteil des Metall-Binder-Jetting im Vergleich zu DMLS/SLM ist die Oberflächenrauheit der produzierten Teile. Typischerweise haben Binder Jetted-Metallteile nach der Nachbearbeitung eine Oberflächenrauheit von Ra 6 μm, die durch den Einsatz eines Perlenstrahlschritts auf Ra 3 μm reduziert werden kann. Im Vergleich dazu beträgt die Oberflächenrauheit von DMLS/SLM-Teilen im gedruckten Zustand etwa Ra 12–16 μm. Dies ist insbesondere bei Teilen mit Innengeometrien von Vorteil , zum Beispiel interne Kanäle, bei denen die Nachbearbeitung schwierig ist.

Die folgende Tabelle fasst die Unterschiede in den wichtigsten mechanischen Eigenschaften von Edelstahlteilen zusammen, die mit Binder Jetting und DMLS/SLM gedruckt wurden:

Binder Jetting Edelstahl 316 (gesintert) Binder Jetting Edelstahl 316 (mit Bronze infiltriert) DMLS/SLM Edelstahl 316L Ertragsstärke 214 MPa 283 MPa 470 MPa Bruchdehnung 34 % 14,5 % 40 % Elastizitätsmodul 165 GPa 135 GPa 180 GPa