Binder Jetting 3D-printen Begrijpen: Principes, Voordelen en Beperkingen

In deze introductie tot Binder Jetting 3D-printen dekken we de basisprincipes van de technologie. Na het lezen van dit artikel zult u de fundamentele mechanica van het Binder Jetting-proces begrijpen en hoe deze zich verhouden tot de voordelen en beperkingen.

Hoe werkt Binder Jetting?

Hier is hoe het Binder Jetting-proces werkt:

1. Eerst verspreidt een recoating-blade een dunne laag poeder over het build-platform.

2. Dan passeert een wagentje met inkjet-nozzles (vergelijkbaar met nozzles in desktop 2D-printers) over het bed, selectief druppels van een bindmiddel (lijm) depositend die de poederdeeltjes aan elkaar binden. Bij full-color Binder Jetting wordt gekleurde inkt ook tijdens deze stap gedeponeerd. De grootte van elke druppel is ongeveer 80 μm in diameter, zodat goede resolutie bereikt kan worden.

3. Wanneer de laag compleet is, beweegt het build-platform naar beneden en het blad herlaagt het oppervlak. Het proces herhaalt zich tot het hele deel compleet is.

4. Na het printen is het deel ingekapseld in het poeder en wordt het gelaten om te curen en sterkte te winnen. Vervolgens wordt het deel uit de poederbin gehaald en het ongebonden, overmaat poeder wordt via geperste lucht gereinigd.

Afhankelijk van het materiaal, is een nabehandelingsstap meestal vereist. Bijvoorbeeld, metaal Binder Jetting-delen moeten gesinterd (of anders thermisch behandeld) of geïnfiltreerd worden met een laag-smeltpunt metaal (typisch brons). Full-color prototypes worden ook geïnfiltreerd met acrylaat en gecoat om de levendigheid van kleuren te verbeteren. Zandgietkernen en malletjes zijn doorgaans direct klaar voor gebruik na 3D-printen.

Dit is omdat de delen in een "groene toestand" (green state) zijn wanneer ze de printer verlaten. Binder Jetting-delen in de groene toestand hebben slechte mechanische eigenschappen (ze zijn zeer bros) en hoge porositeit.

Schematisch overzicht van een Binder Jetting 3D-printer

Wat zijn de kenmerken van Binder Jetting 3D-printen?

Printerparameters

In Binder Jetting zijn bijna alle procesparameters vooraf ingesteld door de machinefabrikant.

De typische laaghogte hangt af van het materiaal: voor full-color modellen is de typische laaghogte 100 micron, voor metaaldelen 50 micron en voor zandgietmalmaterialen 200-400 micron.

Een belangrijk voordeel van Binder Jetting ten opzichte van andere 3D-printprocessen is dat binding plaatsvindt bij kamertemperatuur. Dit betekent dat dimensionele vervormingen verbonden met thermische effecten (zoals warping in FDM, SLS, DMLS/SLM of curling in SLA/DLP) geen probleem zijn in Binder Jetting.

Als gevolg hiervan zijn de bouwvolumes van Binder Jetting-machines onder de grootste vergeleken met alle 3D-printtechnologieën (tot 2200 x 1200 x 600 mm). Deze grote machines worden doorgaans gebruikt om zandgietmalletjes te produceren. Metaal Binder Jetting-systemen hebben doorgaans grotere bouwvolumes dan DMLS/SLM-systemen (tot 800 x 500 x 400 mm), wat de parallelle productie van meerdere delen tegelijkertijd mogelijk maakt. De maximale deelafmeting is echter beperkt tot een aanbevolen lengte van maximaal 50 mm, vanwege de nabehandelingsstap.

Bovendien vereist Binder Jetting geen supportstructuren: het omringende poeder biedt aan het deel alle benodigde ondersteuning (vergelijkbaar met SLS). Dit is een belangrijk verschil tussen metaal Binder Jetting en andere metaal 3D-printprocessen, die doorgaans uitgebreid gebruikmaken van supportstructuren, en maakt het creëren van vrijvormige metaalstructuren met zeer weinig geometrische beperkingen mogelijk. Geometrische onnauwkeurigheden in metaal Binder Jetting komen voornamelijk uit de nabehandelingsstappen, zoals later besproken.

Aangezien de delen in Binder Jetting niet aan het build-platform hoeven te zijn bevestigd, kan het hele bouwvolume benut worden. Binder Jetting is dus geschikt voor laag-tot-middelmatige batchproductie. Om volledige benutting van de mogelijkheden van Binder Jetting te krijgen, is het zeer belangrijk om te overwegen hoe het hele bouwvolume van de machine effectief gevuld kan worden (bin packing).

Kleine metaal Binder Jetting met fijn gaten van grote dimensionele nauwkeurigheid. (Afbeelding met dank aan Digital Metal)

Full Color Binder Jetting

Binder Jetting kan full-color 3D-geprinte delen produceren op een vergelijkbare manier als Material Jetting. Het wordt vaak gebruikt om figurines en topografische kaarten te 3D-printen, vanwege de lage kosten.

Full-color modellen worden geprint met zandsteenpoeder of PMMA-poeder. De hoofddrukhead deposeert het bindmiddel, terwijl een secundaire printhead gekleurde inkt deposeert. Inkt met verschillende kleuren kan gecombineerd worden om een zeer groot scala aan kleuren te produceren, op een vergelijkbare manier als een 2D-inkjetprinter.

Na het printen worden de delen gecoat met cyanoacrylaat (superlijm) of een andere infiltrant om de deelssterkte te verbeteren en de levendigheid van de kleuren te verhogen. Een secundaire epoxylayer kan daarna ook toegevoegd worden om de sterkte en kleurweergave verder te verbeteren. Ondanks deze extra stappen zijn full-color Binder Jetting-delen zeer bros en niet aanbevolen voor functionele toepassingen.

Om full-color prints te produceren, moet een CAD-model met kleurinformatie worden geleverd. Kleur kan op CAD-modellen via twee methoden worden toegepast: op per-face-basis of als een texture map. Kleur toepassen op per-face-basis is snel en gemakkelijk te implementeren, maar het gebruik van een texture map stelt meer controle en groter detail toe. Raadpleeg uw native CAD-software voor specifieke instructies.

Een full-color print geprint in zandsteen met Binder Jetting

Zandgietkernen en Malletjes

De productie van grote zandgietpatronen is een van de meest voorkomende toepassingen voor Binder Jetting. De lage kosten en snelheid van het proces maken het een uitstekende oplossing voor ingewikkelde patroonontwerpen die met traditionele technieken zeer moeilijk of onmogelijk te produceren zouden zijn.

De kernen en malletjes worden doorgaans geprint met zand of silica. Na het printen zijn de malletjes doorgaans direct klaar voor gieten. Het gegoten metaalcomponent wordt doorgaans na het gieten uit de mal verwijderd door de mal te breken. Hoewel deze malletjes maar één keer gebruikt worden, zijn de tijd- en kostenbesparingen ten opzichte van traditionele productie aanzienlijk.

Meerdelig zandgietassemblage gebruikt om een motorblok te gieten. (Afbeelding met dank aan ExOne)

Metaal Binder Jetting

Metaal Binder Jetting is tot 10x economischer dan andere metaal 3D-printprocessen (DMLS/SLM). Bovendien is de bouwwgrootte van Binder Jetting aanzienlijk groter en vereisen de geproduceerde delen geen supportstructuren tijdens het printen, wat het creëren van complexe geometrieën mogelijk maakt. Dit maakt metaal Binder Jetting een erg aantrekkelijke technologie voor laag-tot-middelmatige metaalproductie.

Het hoofdnadeel van metaal Binder Jetting-delen zijn hun mechanische eigenschappen, die niet geschikt zijn voor high-end toepassingen. Niettemin zijn de materiaaleigenschappen van de geproduceerde delen equivalent aan metaaldelen geproduceerd met Metal Injection Molding, wat een van de meest gebruikte productiemethoden is voor de massaproductie van metaaldelen.

Infiltratie & Sinteren

Metaal Binder Jetting-delen vereisen een secundair proces na het printen, zoals infiltratie of sinteren, om hun goede mechanische eigenschappen te bereiken, aangezien de as-printed delen in essentie bestaan uit metaaldeeltjes gebonden met een polymere lijm.

Infiltratie: Na het printen wordt het deel in een oven geplaatst, waar het bindmiddel uitbrandt en gaten achterlaat. Op dit moment is het deel ongeveer 60% porös. Brons wordt vervolgens gebruikt om de gaten via kapillaire werking te infiltreren, resulterend in delen met lage porositeit en goede sterkte.

Sinteren: Na voltooiing van het printen worden de delen in een hoge-temperatuuroven geplaatst, waar het bindmiddel uitbrandt en de overgebleven metaaldeeltjes gesinterd (gebonden) worden, resulterend in delen met zeer lage porositeit.

Een olie- en gasstator geprint uit roestvrij staal en geïnfiltreerd met brons. Let op de oppervlakterauwheid, typisch voor Binder Jetting-delen. (Afbeelding met dank aan ExOne)

Kenmerken van metaal Binder Jetting

Nauwkeurigheid en tolerantie kunnen sterk variëren afhankelijk van het model en zijn moeilijk te voorspellen omdat ze sterk afhangen van de geometrie. Bijvoorbeeld, delen met een lengte tot 25-75 mm krimpen tussen 0,8 tot 2% na infiltratie, terwijl grotere delen een geschatte gemiddelde krimp van 3% hebben. Bij sinteren is de deekrimp ongeveer 20%. De afmetingen van de delen worden gecompenseerd voor krimp door de software van de machine, maar niet-uniforme krimp kan een probleem zijn en moet tijdens de ontwervase in samenwerking met de Binder Jetting-machineoperator in rekening worden gebracht.

De nabehandelingsstap kan ook de bron zijn van onnauwkeurigheden. Bijvoorbeeld, tijdens sinteren wordt het deel verhit tot een hoge temperatuur en wordt zacht. In deze zachte toestand kunnen niet-ondersteunde gebieden vervormen onder hun eigen gewicht. Bovendien, omdat het deel krimpt tijdens sinteren, is er wrijving tussen de plaat van de oven en het onderste oppervlak van het deel, wat kan leiden tot warping. Opnieuw is communicatie met de Binder Jetting-machineoperator cruciaal om optimale resultaten te garanderen.

Gesinterde of geïnfiltreerde Binder Jetting-metaaldelen zullen een interne porositeit hebben (sinteren produceert 97% dichte delen, terwijl infiltratie ongeveer 90% produceert). Dit beïnvloedt de mechanische eigenschappen van metaal Binder Jetting-delen, want de gaten kunnen kraakinitiatie veroorzaken. Vermoeiings- en breuksterkte en rek bij breuk zijn de materiaaleigenschappen die het meest beïnvloed worden door interne porositeit. Geavanceerde metallurgische processen (zoals Hot Isostatic Pressing of HIP) kunnen toegepast worden om delen met bijna geen interne porositeit te produceren. Voor toepassingen waar mechanische prestaties kritiek zijn, zijn DMLS of SLM de aanbevolen oplossingen.

Een voordeel van metaal Binder Jetting ten opzichte van DMLS/SLM is de oppervlakterauwheid van de geproduceerde delen. Typisch hebben metaal Binder Jetting-delen een oppervlakterauwheid van Ra 6 μm na nabehandeling, wat gereduceerd kan worden tot Ra 3 μm als een bead-blasting-stap wordt toegepast. In vergelijking is de as-printed oppervlakterauwheid van DMLS/SLM-delen ongeveer Ra 12-16 μm. Dit is met name voordelig voor delen met interne geometrieën, bijvoorbeeld interne kanalen, waar nabehandeling moeilijk is.

De onderstaande tabel vat de verschillen in de belangrijkste mechanische eigenschappen van Roestvrij Staal-delen samen, geprint met Binder Jetting en DMLS/SLM: