Metaal Binder Jetting meesteren: Innovatie, toepassingen en industriële kansen

Afbeelding: De M5 schroeven 3D-geprint met Digital Metal's systeem [Credit: Digital Metal]

Metaal binder jetting beleeft een renaissance. Het afgelopen decennium zijn veel nieuwe bedrijven de markt binnengedrongen, elk met een eigen invalshoek op deze technologie.

Deze activiteit wordt deels aangedreven door de veelbelovende kansen die deze technologie biedt. Ten eerste kan de hoge snelheid en precisie van metaal binder jetting helpen om het te vestigen als een nieuwe hoge-volume productiemethode.

Maar welke ontwikkelingen drijven de succes van deze technologie?

Vandaag kijken we naar hoe metaal binder jetting is geëvolueerd en waarom het opkomt als een nieuwe productietechnologie.

De oorsprong van metaal binder jetting

De oorsprong van metaal binder jetting technologie gaat terug tot 1993, toen het Massachusetts Institute of Technology (MIT) een inkjet-gebaseerd proces ontwikkelde om driedimensionale objecten te maken met metaalpoeders.

Interessant genoeg werd de term "3D Printing" oorspronkelijk door MIT geprägt in verwijzing naar metaal binder jetting technologie.

Productiebedrijf Extrude Hone Corporation verkreeg in 1996 een exclusieve licentie voor MIT's technologie. Sindsdien heeft het bedrijf metaal binder jetting systemen ontwikkeld en gecommercialiseerd, met de eerste 3D-printer, ProMetal RTS-300, geleverd aan Motorola in 1999.

ExOne, die in 2005 uit Extrude Hone Corporation afsplitsde, bleef het enige bedrijf dat metaal binder jetting diensten en systemen aanbood tot de vroege jaren 2010. Toen begonnen de vroege MIT-patenten voor de technologie te verlopen, wat nieuwe bedrijven toegang gaf tot de markt.

Sindsdien is metaal binder jetting herleefd met de visie om deze technologie werkelijk geschikt te maken voor productie over industrieën heen.

Hoe werkt metaal binder jetting?

Bij metaal binder jetting wordt een vloeibaar bindmiddel selectief toegepast om poederdeeltjes laag voor laag te binden.

Het proces begint met het uitstreken van een dunne laag poeder, waarna printheads strategisch druppels bindmiddel in het poederbed depositeren. De printplaat zakt en een nieuwe laag poeder wordt uitgestreken.

Het proces herhaalt zich tot het onderdeel compleet is, met ongebruikt poeder (rond 95%) dat gerecycled wordt.

Bij metaal binder jetting blijven net-geprinte onderdelen in een kwetsbare "groene" staat en vereisen volgende nabewerking, zoals sinteren en infiltratie, om het onderdeel te versterken.

Naast metalen kan binder jetting ook werken met een reeks andere materialen, zoals zand en keramiek.

Nabewerkingsstappen voor Metaal Binder Jetting

Traditionele binder jetting technologie werkt door een printhead een vloeibaar bindmiddel op lagen poeder toe te passen.

Bij het printen van metalen met Binder Jetting technologie vereisen de onderdelen echter diverse nabewerkingstappen, aangezien ze initieel in hun groene staat geprint worden, wat betekent dat ze lage mechanische eigenschappen bezitten en vaak zwak en broos zijn. De nabewerkingsfase heeft tot doel de onderdelen te versterken, en omvat curing, sinteren, infiltratie en andere afwerkingsprocessen.

1. Curing (Uitharden)

Curing verhoogt de sterkte van de groene onderdelen zodat ze veilig van het printbed verwijderd kunnen worden. Tijdens het proces worden de onderdelen in een oven op ongeveer 200°C voor een periode van enkele uren gehard, wat resulteert in aanzienlijk sterkere onderdelen.

2. Sinteren

Ondanks de curing, zullen de metaalonderdelen nog steeds hoog porieus zijn. Echter, de porositeit kan aanzienlijk worden verminderd door sinteren of infiltratieprocessen. Typisch vindt het sinterproces plaats in een oven met gecontroleerde atmosfeer, waar het onderdeel warmtebehandeld wordt op ongeveer 100°C voor 24-36 uur en het bindmiddel verbrandt. Dit helpt de metaaldeeltjes te smelten en resulteert in een sterk metaalonderdeel met lage porositeit. Sinteren kan echter niet-homogene krimp veroorzaken en is moeilijk te voorspellen – dit moet dus in de ontwerpfase in overweging genomen worden.

3. Infiltratie

Om hoge dichtheid te bereiken, moet het onderdeel geïnfiltreerd worden om de gaten te vullen die achterblijven na het verbranden van het bindmiddel. Dit wordt meestal gedaan door gesmolten brons toe te passen om de overgebleven gaten in het onderdeel te infiltreren. Het ondergaan van deze nabewerkingsstappen verhoogt de mechanische eigenschappen van het metaalonderdeel aanzienlijk; bijvoorbeeld kan bronsinfiltratie van roestvrij staal een einddichtheid van 95% bereiken.

4. Afwerking

Ten slotte, hoewel optioneel, kan het onderdeel gepolijst en geplateerd worden met goud of nikkel voor esthetisch aantrekkelijke oppervlakte-afwerkingen.

Waarom neemt metaal binder jetting af als productietechnologie?

Metaal binder jetting biedt een aantal unieke voordelen, die de adoptie voor productietoepassingen faciliteren.

Ten eerste smelt binder jetting het metaalpoeder niet tijdens het printproces, wat problemen met opbouw van residuele spanningen elimineert.

Ten tweede zijn geen ondersteuningsstructuren vereist voor het metaal binder jetting proces, aangezien geprinten onderdelen omringd worden door los, ongebruikt poeder. Beide voordelen helpen nabewerking tot een minimum te beperken.

Daarnaast zijn binder jetting machines goedkoper dan 3D-printers gebaseerd op SLM of DED processen. Een reden is dat ze geen dure lasers of elektronenbundels gebruiken.

Nieuwere metaal binder jetting machines kunnen ook Metal Injection Moulding (MIM) poeders gebruiken. Deze zijn aanzienlijk goedkoper dan metaalpoeders specifiek ontwikkeld voor 3D-printing, die meestal in lage volumes geproduceerd worden met dure productiemethoden zoals gasato misatie.

Het overschakelen naar MIM poeders stelt fabrikanten in staat om de operationele kosten voor deze technologie verder te verlagen.

Naast goedkopere voedingsstoffen, beschikt binder jetting over de mogelijkheid om zeer nauwkeurige onderdelen te printen met mechanische eigenschappen vergelijkbaar met die in traditioneel geproduceerde metaalcomponenten.

Tenslotte is de snelheid van het metaal binder jetting proces doorgaans sneller dan die van andere metaal 3D-printprocessen. Al deze gecombineerde voordelen resulteren in een zeer schaalbare en productiegeschikte technologie.

De nieuwste ontwikkelingen die metaal binder jetting vooruitdrijven

De jaren 2010 markeerden een nieuw tijdperk voor metaal binder jetting. Van startups tot meer gevestigde spelers, een aantal bedrijven werkt actief aan het verleggen van de grenzen van wat momenteel mogelijk is met metaal binder jetting technologie.

ExOne blijft innoveren

ExOne is een van de oudste spelers in de metaal binder jetting arena. Gedurende zijn geschiedenis heeft ExOne vier metaal binder jetting systemen gelanceerd, elk een evolutie op de vorige.

Bijvoorbeeld, in 2018 introduceerde het bedrijf de Innovent+, wat een nieuwe generatie metaal binder jetting systemen markeert. Hoewel het systeem langzamer is dan ExOne's vorige M-Flex 3D-printer, heeft het twee belangrijke nieuwe functies.

Ten eerste is het uitgerust met een Ultrasonic recoater, ontwikkeld om poederstroomverbetering en vereenvoudigde materiaalwisseling te verbeteren. ExOne stelt dat de nieuwe recoater de meest geavanceerde poederdoseringstechnologie op de markt vertegenwoordigt.

De recoater komt met vier schermconfiguraties voor grotere materiaalcompatibiliteit. Deze functie speelt in op een andere belangrijke ontwikkeling: de machine kan standaard MIM poeders verwerken.

Andere poederbed metaal 3D-printers, met name die een laser of elektronenbundel gebruiken, vereisen gespecialiseerde poeders om consistent te werken. Dergelijke poeders zijn echter vaak veel duurder dan materialen voor traditionele metaalverwerkingstechnologieën.

Door de Innovent+ in staat te stellen MIM poeders te ondersteunen, kan ExOne kostenbesparing en grotere materiaalflexibiliteit introduceren voor gebruikers van zijn machines.

Voortgaand met innoveren, heeft het bedrijf de technologie achter de Innovent+ opgeschaald naar een productie-level X1 25PRO 3D-printer. Geintroduceerd vorige maand, kan de machine zo veel als 10 verschillende materialen printen op zijn grote 400 x 250 x 250 mm bouvolume.

Met dit systeem streeft het bedrijf ernaar de productie van industriële metaalcomponenten met hoge resolutie, strakke tolerenties en verbeterde oppervlakte-afwerkingen mogelijk te maken.

Digital Metal: automatiseren van metaal binder jetting

Een ander bedrijf dat zijn stempel drukt op de ontwikkeling van metaal binder jetting is Digital Metal, een dochter van de toonaangevende metaalpoederproducent Höganäs Group.

Digital Metal werd in 2012 opgericht en begon in 2013 zijn metaal binder-jetting technologie als dienst aan te bieden.

In 2017 lanceerde Digital Metal de DM P2500 3D-printer, bedoeld voor serieproductie van kleine, complexe onderdelen.

De machine werkt door een laag metaalpoeder van 0,042-mm dik uit te streken. Een binder wordt vervolgens geject volgens de geometrie van het onderdeel. Dit proces wordt gerapporteerd als nauwkeurig en herhaalbaar, wat het in staat stelt om zeer kleine maar ongelooflijk gedetailleerde onderdelen te maken met een resolutie van 35 micron.

Het daaropvolgende sinterproces resulteert in een gemiddelde oppervlakterauwheid van Ra 6,0 micron, fijn genoeg voor veel eindgebruiksonderdelen en features zoals interne kanalen.

Digital Metal stelt dat zijn metaal 3D-printers al meer dan 300.000 componenten in diverse industrieën hebben geproduceerd, waaronder luchtvaart, luxegoederen, tandheelkundige tools en industriële apparatuur.

Om de technologie verder te ontwikkelen, lanceerde Digital Metal vorig jaar een volledig geautomatiseerd productieconcept.

Volgens dit concept zal een robot de meerderheid van de processtappen afhandelen, zoals het voeden van de printer met bouwboxen en het verwijderen ervan voor nabewerking. Het doel is om alle handmatig werk te elimineren om continue, hoge-volume productie te faciliteren.

Door deze handvrije productielijn te lanceren, heeft Digital Metal een reusachtige sprong gemaakt met zijn metaal binder jetting technologie.

HP's Metal Jet: 3D-printing een kosteneffectieve productiekeuze maken

Na het onthullen van zijn Multi Jet Fusion technologie voor polymere onderdelen in 2016, introduceerde HP in 2018 de volgende uitbreiding van zijn additieve aanbod: een Metal Jet 3D-printsysteem.

De nieuwe metaal 3D-printer wordt aangedreven door binder jetting technologie. Echter, het unieke voordeel dat HP aan deze technologie introduceerde, ligt in zijn innovatieve printhead en inktechnologie.

Hoewel binder jetting technologie inherent snel is, heeft HP zijn kennis van printhead-technologie toegepast om het nog sneller te maken. Het Metal Jet systeem is uitgerust met 6 printheads met 5.280 zuigertjes elk. Deze meerdere rijen zuigertjes introduceren grotere productiviteit en betrouwbaarheid voor de printer.

Verder, door zijn expertise in inktechnologie te benutten, heeft HP een innovatief bindmiddel ontwikkeld om het sinterproces sneller en goedkoper te maken.

"Bij metaalinjectiegieten heb je typisch meer dan 10% per gewicht binder dat uitgebrand moet worden. In ons geval is het minder dan 1%, wat een orde van grootte minder is, wat het sneller, goedkoper en veel eenvoudiger te sinteren maakt," zegt Tim Weber, HP's Global Head of Metals, in een interview met AMFG.

Deze gecombineerde voordelen resulteren in een metaal 3D-printer die beweerd wordt economieën en efficiëntie te bereiken die vergelijkbaar zijn met conventionele productietechnologieën.

HP verkoopt de machine nog niet. In plaats daarvan heeft het bedrijf een onderdeelenproductiedienst gelanceerd, met de verwachting de 3D-printer commercieel beschikbaar te maken in 2020. Gezien de claims die HP over Metal Jet maakt, kan deze technologie de sleutel zijn om een duurzame waardepropositie voor metaal 3D-printing in hoge-volume productie te ontgrendelen.

3DEO: Binder jetting en frezen combineren

Veel bedrijven zoeken metaal 3D-printing competitief te maken met andere productietechnieken. Een dergelijk bedrijf is 3DEO, opgericht in 2016 met het doel hoge-volume productie via metaal binder jetting mogelijk te maken.

Om dit te bereiken, heeft het bedrijf het proces volledig heruitgevonden. In plaats van inkjet te gebruiken om selectief binder te depositeren, gebruiken 3DEO's machines een eigen spraysysteem om de binder gelijkmatig over de gehele laag toe te passen.

Het resultaat is een harde, dunne laag metaalpoeder die vervolgens gefreesd wordt met micro-eindfrezen. De CNC-bewerking knipt de onderdeelvorm voor elke laag uit.

Deze technologie, Intelligent Layering genoemd, vertegenwoordigt de eerste instantie van het combineren van binder jetting en CNC-frezen in een hybride systeem. Een dergelijke combinatie stelt 3DEO in staat om zeer nauwkeurige kleine metaalonderdelen te maken met meer dan 99,5% dichtheid na sinteren.

3DEO's Intelligent Layering technologie wordt momenteel alleen aan klanten aangeboden via de productiedienst van het bedrijf. Door de technologie te beperken tot de eigen productiedienst, waarborgt 3DEO hoge kwaliteit van geprinten onderdelen terwijl het platform erg flexibel blijft.

Op dit moment werkt 3DEO aan enkele van de grootste orders in de metaal 3D-printindustrie, en heeft recent een inkooporder van 28.000 onderdelen gewonnen.

Hoewel het bedrijf niet van plan is zijn machines te verkopen, dienen de groeiende productievolumes als validatie van binder jetting's vermogen om productieonderdelen te leveren op een par met conventioneel geproduceerde componenten.

Desktop Metal: metaalonderdelen printen op een opvallende snelheid

Boston-based startup Desktop Metal is in 2015 opgericht met het doel de belofte van 3D-printing voor productie op schaal te vervullen. Hiervoor heeft het bedrijf een extreem snelle Production System ontwikkeld.

De technologie achter de metaal 3D-printer is wat het bedrijf Single Pass Jetting (SPJ) noemt, een snellere versie van het typische binder jetting proces.

Het systeem beschikt over twee full-breedte printheads, geavanceerde poederstreiders en een anti-ballistisch systeem die effectief poeder spreidt en in één snelle pass over het bouwgebied print.

Met een bouvolume van 750 x 330 x 250 mm, maakt deze bi-directionele systeem hoge-resolutie printen mogelijk tot 12.000 cm³/uur, wat vertaalt in meer dan 60 kg metaalonderdelen per uur. Zulke snelheid is orde van grootte sneller dan andere metaal 3D-printers op de markt, wat het ideaal maakt voor productie van complexe metaalonderdelen in hoge volumes.

Daarnaast is het Production System het eerste binder jet systeem dat uitgerust is met een industriële inerte omgeving die gasrecycling en oplosmiddelherstel kent voor veilige printing van reactieve metalen. Dit opent de mogelijkheid voor het printen van een breder scala aan metalen, bijvoorbeeld aluminium.

Met zijn Production System heeft Desktop Metal de voordelen van metaal binder jetting technologie gemaximaliseerd door substantiële snelheidsverbetering toe te voegen.

Desktop Metal heeft zijn Production System pas recent beschikbaar gemaakt voor aankoop, dus het zal even duren voordat we zien of de productiesnelheidsclaims bewezen zijn. Maar zo ja, zal het Production System de snelste binder jetting 3D-printer worden die op de markt beschikbaar is.

Uitblik naar de toekomst

Metaal binder jetting wordt een van de sleutel metaal 3D-printtechnologieën geschikt voor productie. Dit wordt mogelijk gemaakt door de unieke capaciteiten van de technologie om hoge printsnelheden te bereiken en hoge-precisie componenten te maken.

Een andere sleutelontwikkeling die het succes van metaal binder jetting drijft, is de compatibiliteit met al bekende en relatief goedkope MIM poeders.

Een aantal bedrijven heeft het doorbraakpotentieel van metaal binder jetting herkend en werkt nu hard om de kansen die het biedt te grijpen.

Vooruitgaand zullen we zien dat deze bedrijven metaal binder jetting nog verder evolueren. Uiteindelijk zal dit de technologie helpen een waardevol aandeel van de totale productiemarkt te claimen.

>>Lees meer over metaal 3D-printing in onze Definitieve Metaal 3D-printing Gids.