Inzicht in 3D-printen met Binder Jetting:principes, voordelen en beperkingen

In deze inleiding tot Binder Jetting 3D-printen behandelen we de basisprincipes van de technologie. Na het lezen van dit artikel begrijpt u de fundamentele werking van het Binder Jetting-proces en hoe deze zich verhouden tot de voordelen en beperkingen ervan.

Hoe werkt Binder Jetting?

Zo werkt het Binder Jetting-proces:

I. Eerst verspreidt een recoatingblad een dunne laag poeder over het bouwplatform.

II. Vervolgens passeert een wagen met inkjetmondstukken (die vergelijkbaar zijn met de mondstukken die worden gebruikt in desktop 2D-printers) over het bed, waarbij selectief druppels van een bindmiddel (lijm) worden afgezet die de poederdeeltjes aan elkaar binden. Bij full-color Binder Jetting wordt tijdens deze stap ook de gekleurde inkt afgezet. De grootte van elke druppel heeft een diameter van ongeveer 80 μm, waardoor een goede resolutie kan worden bereikt.

III. Wanneer de laag voltooid is, beweegt het bouwplatform naar beneden en bedekt het blad het oppervlak opnieuw. Het proces herhaalt zich vervolgens totdat het hele onderdeel is voltooid.

IV. Na het printen wordt het onderdeel ingekapseld in het poeder en laat het uitharden en sterker worden. Vervolgens wordt het onderdeel uit de poederbak gehaald en wordt het ongebonden, overtollige poeder via perslucht gereinigd.

Afhankelijk van het materiaal is er meestal een nabewerking nodig. Metalen Binder Jetting-onderdelen moeten bijvoorbeeld gesinterd zijn (of anderszins hittebehandeld) of geïnfiltreerd met een metaal met een laag smeltpunt (meestal brons). Full-color prototypes worden ook geïnfiltreerd met acryl en gecoat om de levendigheid van kleuren te verbeteren. Zandgietkernen en mallen zijn doorgaans klaar voor gebruik na het 3D-printen.

Dit komt omdat de onderdelen in een “groene” staat zijn wanneer ze de printer verlaten. Binder Jetting onderdelen in de groene staat hebben slechte mechanische eigenschappen (ze zijn erg bros) en hoge porositeit.

Schematische weergave van een Binder Jetting 3D-printer

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

Printerparameters

Bij Binder Jetting zijn vrijwel alle procesparameters vooraf ingesteld door de machinefabrikant.

De typische laaghoogte hangt af van het materiaal:voor full colour modellen is de typische laaghoogte 100 micron, voor metalen onderdelen 50 micron en voor zandgietmatrijsmaterialen 200-400 micron.

Een belangrijk voordeel van Binder Jetting ten opzichte van andere 3D-printprocessen is dat de binding plaatsvindt bij kamertemperatuur . Dit betekent dat dimensionale vervormingen die verband houden met thermische effecten (zoals kromtrekken in FDM, SLS, DMSL/SLM of krullen in SLA/DLP) geen probleem zijn in Binder Jetting.

Als gevolg hiervan neemt het bouwvolume toe van de Binder Jetting-machines behoren tot de grootste vergeleken met alle 3D-printtechnologieën (tot 2200 x 1200 x 600 mm). Deze grote machines worden doorgaans gebruikt voor de productie van zandgietmatrijzen. Metal Binder Jetting-systemen hebben doorgaans grotere bouwvolumes dan DMSL/SLM-systemen (tot 800 x 500 x 400 mm), waardoor parallelle productie van meerdere onderdelen tegelijk mogelijk is. De maximale onderdeelgrootte is echter beperkt tot een aanbevolen lengte van maximaal 50 mm, vanwege de nabewerkingsstap die daarbij betrokken is.

Bovendien vereist Binder Jetting geen ondersteunende structuren :het omringende poeder geeft het onderdeel alle nodige ondersteuning (vergelijkbaar met SLS). Dit is een belangrijk verschil tussen metal Binder Jetting en andere 3D-printprocessen van metaal, waarvoor meestal uitgebreid gebruik van ondersteunende structuren vereist is, en het mogelijk maakt om vrije metalen structuren te creëren met zeer weinig geometrische beperkingen. Geometrische onnauwkeurigheden bij Metal Binder Jetting zijn voornamelijk het gevolg van de nabewerkingsstappen, zoals besproken in een later gedeelte.

Omdat de onderdelen in Binder Jetting niet aan het bouwplatform hoeven te worden bevestigd, kan het volledige bouwvolume worden gebruikt. Binder Jetting is dus geschikt voor productie van kleine tot middelgrote batches . Om te profiteren van de volledige mogelijkheden van Binder Jetting, is het erg belangrijk om te overwegen hoe u het gehele bouwvolume van de machine (bakverpakking) effectief kunt vullen.

Kleine metalen Binder Jetting met fijne gaten met grote maatnauwkeurigheid.

Afbeelding met dank aan Digital Metal

Full colour binderjetting

Binder Jetting kan full colour 3D-geprinte onderdelen produceren op een vergelijkbare manier als Material Jetting. Vanwege de lage kosten wordt het vaak gebruikt voor het 3D-printen van beeldjes en topografische kaarten.

Full-colour modellen worden bedrukt met zandsteenpoeder of PMMA-poeder. De hoofdprintkop spuit eerst het bindmiddel, terwijl een secundaire printkop gekleurde inkt spuit. Inkten met verschillende kleuren kunnen worden gecombineerd om een zeer groot scala aan kleuren te produceren, op een vergelijkbare manier als een 2D-inkjetprinter.

Na het printen worden de onderdelen vervolgens gecoat met cyanoacrylaat (superlijm) of een ander infiltrant om de sterkte van de onderdelen te verbeteren en de levendigheid van de kleuren te vergroten. Vervolgens kan er ook een secundaire epoxylaag worden toegevoegd om de sterkte en kleurweergave verder te verbeteren. Zelfs met deze extra stappen zijn full-color Binder Jetting-onderdelen erg broos en worden ze niet aanbevolen voor functionele toepassingen.

Om full-colour afdrukken te kunnen maken, moet een CAD-model worden aangeleverd dat de kleurinformatie bevat. Kleur kan op twee manieren op CAD-modellen worden toegepast:per vlak of als textuurkaart. Het toepassen van kleur per vlak is snel en eenvoudig te implementeren, maar het gebruik van een texture map zorgt voor meer controles en meer details. Raadpleeg uw eigen CAD-software voor specifieke instructies.

Een full colour print gedrukt in zandsteen met Binder Jetting

Zandgietkernen en mallen

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

De kernen en mallen worden doorgaans bedrukt met zand of silica. Na het printen zijn de mallen doorgaans direct klaar om te gieten. Het gegoten metalen onderdeel wordt na het gieten meestal verwijderd door de mal te breken. Hoewel deze matrijzen slechts één keer worden gebruikt, zijn de tijd- en kostenbesparingen in vergelijking met traditionele productie aanzienlijk.

Meerdelig zandgietsamenstel dat wordt gebruikt om een motorblok te gieten.

Afbeelding met dank aan ExOne

Metaalbindmiddel spuiten

Metal Binder Jetting is tot 10x zuiniger dan andere metalen 3D-printprocessen (DMSL/SLM). Bovendien is de bouwgrootte van Binder Jetting aanzienlijk groot en vereisen de geproduceerde onderdelen geen ondersteunende structuren tijdens het printen, waardoor complexe geometrieën kunnen worden gecreëerd. Dit maakt Metal Binder Jetting een zeer aantrekkelijke technologie voor laag-tot-middelmatige metaalproductie .

Het belangrijkste nadeel van metalen Binder Jetting-onderdelen zijn hun mechanische eigenschappen, die niet geschikt zijn voor hoogwaardige toepassingen. Niettemin zijn de materiaaleigenschappen van de geproduceerde onderdelen gelijkwaardig aan die van metalen onderdelen geproduceerd met Metal Injection Moulding, een van de meest gebruikte productiemethoden voor de massaproductie van metalen onderdelen.

Infiltratie en sinteren

Metal Binder Jetting-onderdelen vereisen na het printen een secundair proces, zoals infiltratie of sinteren , om hun goede mechanische eigenschappen te bereiken, aangezien de geprinte onderdelen in principe bestaan uit metaaldeeltjes die aan elkaar zijn gebonden met een polymeerkleefstof.

Infiltratie: Na het printen wordt het onderdeel in een oven geplaatst, waar het bindmiddel wordt uitgebrand, waardoor er holtes ontstaan. Op dit punt is het onderdeel ongeveer 60% poreus. Brons wordt vervolgens gebruikt om via capillaire werking in de holtes te infiltreren, wat resulteert in delen met een lage porositeit en goede sterkte.

Sinteren: Nadat het printen is voltooid, worden de onderdelen in een hogetemperatuuroven geplaatst, waar het bindmiddel wordt uitgebrand en de resterende metaaldeeltjes aan elkaar worden gesinterd (verbonden), wat resulteert in onderdelen met een zeer lage porositeit.

Een olie- en gasstator gedrukt uit roestvrij staal en geïnfiltreerd met brons. Let op de oppervlakteafwerking, die typisch is voor Binder Jetted-onderdelen.

Afbeelding met dank aan ExOne

Kenmerken van metalen Binder Jetting

Nauwkeurigheid en tolerantie kunnen sterk variëren, afhankelijk van het model, en zijn moeilijk te voorspellen omdat ze sterk afhankelijk zijn van de geometrie. Onderdelen met een lengte tot 25 - 75 mm krimpen bijvoorbeeld tussen 0,8 en 2% na infiltratie, terwijl grotere onderdelen een geschatte gemiddelde krimp van 3% hebben. Bij sinteren bedraagt ​​de krimp van het onderdeel ongeveer 20%. De afmetingen van de onderdelen worden gecompenseerd voor krimp door de software van de machine, maar niet-uniforme krimp kan een probleem zijn en er moet tijdens de ontwerpfase rekening mee worden gehouden, in samenwerking met de operator van de Binder Jetting-machine.

Ook de nabewerkingsstap kan een bron van onnauwkeurigheden zijn. Tijdens het sinteren wordt het onderdeel bijvoorbeeld tot een hoge temperatuur verwarmd en wordt het zachter. In deze zachtere staat niet-ondersteunde gebieden kunnen vervormen onder hun eigen gewicht. Bovendien ontstaat er, als het onderdeel krimpt tijdens het sinteren, wrijving tussen de plaat van de oven en het onderoppervlak van het onderdeel, wat kan leiden tot kromtrekken . Ook hier is communicatie met de operator van de Binder Jetting-machine van cruciaal belang om optimale resultaten te garanderen.

Gesinterde of geïnfiltreerde metalen onderdelen van Binder Jetting hebben een interne porositeit (sinteren levert 97% dichte delen op, terwijl infiltratie ongeveer 90%) oplevert. Dit beïnvloedt de mechanische eigenschappen van metalen Binder Jetting-onderdelen, omdat de holtes kunnen leiden tot het ontstaan ​​van scheuren. Vermoeidheid, breuksterkte en rek bij breuk zijn de materiaaleigenschappen die het meest worden beïnvloed door interne porositeit. Geavanceerde metallurgische processen (zoals heet isostatisch persen of HIP) kunnen worden toegepast om onderdelen te produceren met vrijwel geen interne porositeit. Voor toepassingen waarbij mechanische prestaties van cruciaal belang zijn, zijn DMLS of SLM de aanbevolen oplossingen.

Een voordeel van Metal Binder Jetting vergeleken met DMLS/SLM is de oppervlakteruwheid van de geproduceerde onderdelen. Doorgaans hebben Metal Binder Jetted-onderdelen na nabewerking een oppervlakteruwheid van Ra 6 μm, die kan worden teruggebracht tot Ra 3 μm als er een parelstraalstap wordt toegepast. Ter vergelijking:de oppervlakteruwheid zoals afgedrukt van DMLS/SLM-onderdelen bedraagt ​​ongeveer Ra 12-16 μm. Dit is vooral gunstig voor onderdelen met interne geometrieën , bijvoorbeeld interne kanalen, waar nabewerking moeilijk is.

De onderstaande tabel vat de verschillen samen in de belangrijkste mechanische eigenschappen van roestvrijstalen onderdelen, bedrukt met Binder Jetting en DMLS/SLM:

Bindmiddel Jetting RVS 316 (gesinterd) Bindmiddel Jetting RVS 316 (brons geïnfiltreerd) DMLS/SLM roestvrij staal 316L Opbrengststerkte 214 MPa 283 MPa 470 MPa Rek bij breuk 34% 14,5% 40% Elasticiteitsmodulus 165 GPa 135 GPa 180 GPa