Geschichte
Das Binder-Jetting-Druckverfahren wurde ursprünglich in den frühen 1990er Jahren am Institute of Technology (MIT) entwickelt, um komplexe Teile aus industrietauglichen Materialien zu drucken.
ExOne erhielt 1996 die Exklusivlizenz für das Binder-Jetting-Verfahren der additiven Fertigung und brachte 1998 den ersten kommerziellen Binderjet-3D-Drucker für Metalle, den RTS-300, auf den Markt. Im Jahr 2002 brachte das Unternehmen seinen ersten Sand-3D-Drucker, den S15, auf den Markt. 2021 wurde ExOne von Desktop Metal übernommen.
Wie funktioniert Binder Jetting?
Hier finden Sie eine schrittweise Anleitung für den Binder-Jetting-Prozess:
Erster Schritt:
Zunächst wird eine feine Schicht des Pulvermaterials mit einem Rakel auf der Bauplattform verteilt.
Zweiter Schritt:
Ein Wagen mit Tintenstrahldüsen fährt, ähnlich wie bei 2D-Desktopdruckern, über das Pulverbett und setzt selektiv Tröpfchen des Bindemittels frei, um die Pulverpartikel miteinander zu verbinden. Beim Vollfarb-Binder-Jetting werden in diesem Schritt neben den Bindemitteln auch farbige Druckfarben aufgebracht. Jeder Tropfen hat einen Durchmesser von etwa 80 μm, wodurch eine gute Auflösung erreicht wird.
Dritter Schritt:
Nach Fertigstellung der ersten Schicht (auf der Grundlage eines CAD-Entwurfs) fährt die Bauplattform nach unten und die Oberfläche wird mit weiterem Pulver beschichtet.
Vierter Schritt:
Wiederholen Sie die Schritte zwei und drei, bis das endgültige Teil fertig ist.
Fünfter Schritt:
Nach Abschluss des Bauprozesses muss das Teil aushärten und an Festigkeit gewinnen, damit es verwendet werden kann. Danach kann überschüssiges Pulver abgesaugt bzw. mit Druckluft entfernt werden.
Sechster Schritt:
Bei einigen Materialien ist ein Nachbearbeitungsschritt erforderlich, um das Teil fertigzustellen. Metallische Binder-Jetting-Teile müssen wärmebehandelt (z. B. gesintert) oder mit einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, wie z. B. Bronze, infiltriert werden. Dieser Schritt ist erforderlich, weil einige Materialien den Drucker als so genannter „Grünling“ verlassen, d. h. sie haben schlechte mechanische Eigenschaften und können spröde und sehr porös sein. Sandgussteile benötigen in der Regel keinen Nachbearbeitungsschritt, aber vollfarbige Teile werden mit Acryl infiltriert, um die Lebendigkeit der Farben zu verbessern.
Druckparameter
Fast alle Prozessparameter, die beim Binder Jetting verwendet werden, sind von den Maschinenherstellern voreingestellt. Durch diese Automatisierung ist das Verfahren einfach zu handhaben, aber die typische Schichthöhe variiert je nach verwendetem Material.
Bei Vollfarbmodellen wird in der Regel eine Schichthöhe von 100 Mikrometern verwendet, während bei Metallteilen eine Schichthöhe von nur 50 Mikrometern ausreicht. Bei Sandgusswerkstoffen liegt die Schichthöhe in der Regel deutlich höher, nämlich zwischen 200 und 400 Mikrometern.
Werkstoffe
Metalle und Keramiken sind weit verbreitete Werkstoffe für Binder-Jetting-Anwendungen, aber auch andere pulverförmige Materialien wie Sand können verwendet werden. Darüber hinaus können auch Polymere wie ABS oder PLA für das Binder-Jetting-Verfahren verwendet werden.
Metalllegierungen wie Titan, rostfreie Stähle und Kupfer werden aufgrund ihrer Eigenschaften, die die Herstellung stabiler und dennoch leichter Teile ermöglichen, regelmäßig verwendet.
Außerhalb der metallverarbeitenden Anwendungen hat das Binder-Jetting-Verfahren sogar Einzug in Bäckerei gehalten. Unternehmen wie The Sugar Lab nutzen den 3D-Druck mit Zuckergranulat und Wasser, um komplexe kulinarische Strukturen zu schaffen.
Vorteile
Der Hauptvorteil des Binder-Jetting-Verfahrens besteht darin, dass der Prozess bei Raumtemperatur abläuft, was bedeutet, dass die mit thermischen Effekten verbundene Verformung der Teile kein Problem darstellt. Daher gehört das Bauvolumen von Binder-Jetting-Maschinen zu den größten unter den 3D-Drucktechnologien. Die größten Maschinen (bis zu 2200 x 1200 x 600 mm) werden im Allgemeinen für die Herstellung von Sandgussformen verwendet. Metall-Binder-Jetting-Systeme sind kleiner (bis zu 800 x 500 x 400 mm), aber immer noch größer als DMSL-/SLM-Systeme und ermöglichen die gleichzeitige Herstellung mehrerer Teile.
Binder Jetting erfordert keine Stützstrukturen. Stattdessen sorgt das Pulver selbst für seine eigene Unterstützung, wenn das Bauteil wächst. Dadurch entfällt nicht nur die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung zur Entfernung von Stützstrukturen, sondern die Teile können auch so positioniert werden, dass das Bauvolumen maximiert wird.
Das Binder-Jetting-Verfahren erzeugt Metallteile mit einer geringen Oberflächenrauhigkeit (bis zu Ra 3 μm, wenn ein Perlstrahlverfahren eingesetzt wird) im Vergleich zu DMLS/SLM (Ra 12-16 μm). Diese geringe Oberflächenrauheit ist vorteilhaft für Teile mit inneren Kanälen und Geometrien, die nur schwer nachbearbeitet werden können.
Das Binderstrahlverfahren ist schneller und kostengünstiger als viele andere additive Fertigungsverfahren, da mit mehreren Druckkopfdüsen oder -löchern schnell mehrere Teile auf einmal hergestellt werden können.
Nachteile
Trotz der Vorteile des Binder Jettings gibt es auch einige Herausforderungen, die mit diesem Verfahren verbunden sind.
Die Hauptprobleme im Zusammenhang mit dem Binder Jetting sind Genauigkeit und Toleranz, die aufgrund der Schrumpfung der Teile während der Nachbearbeitungsschritte schwer vorherzusagen sind. Beispielsweise können Metallteile bei kleineren Teilen um bis zu 2 % und bei größeren Teilen um mehr als 3 % schrumpfen, was auf die Infiltration zurückzuführen ist. Das Sintern kann eine durchschnittliche Schrumpfung von 20 % verursachen und auch zu Verformungen führen, die durch die Reibung zwischen der Ofenplatte und der Unterseite des Teils verursacht werden. Die beim Sintern verwendete Hitze kann das Teil auch erweichen und dazu führen, dass sich nicht gestützte Bereiche unter ihrem eigenen Gewicht verformen. Während diese Probleme bei der Herstellung kompensiert werden können, ist es schwieriger, eine ungleichmäßige Schrumpfung zu berücksichtigen.
Binder-Jetting-Teile können möglicherweise schlechte mechanische Eigenschaften aufweisen, die auf interne Porosität zurückzuführen sind. Diese Porosität kann durch Sintern (wodurch Teile mit einer Dichte von 97 % entstehen) oder durch Infiltration (Teile mit einer Dichte von 90 %) verringert werden, aber sie kann Hohlräume hinterlassen, die zur Rissbildung führen. Infolgedessen können die Bruch- und Ermüdungsfestigkeit ein Problem darstellen.
Wozu wird Binder Jetting eingesetzt?
Berücksichtigt man die Vor- und Nachteile des Binder-Jetting-Verfahrens, so wird deutlich, dass es für einige Anwendungen besser geeignet ist als für andere.
Binder Jetting wird für die Herstellung von vollfarbigen Prototypen, kostengünstigen Metallteilen und für die Herstellung großer Sandgusskerne und -formen verwendet. Aufgrund der niedrigen Kosten und der kurzen Produktionszeiten wird das Verfahren sogar für die Herstellung von Zubehör für die Filmindustrie verwendet und von mobilen Drucksystemen zur Herstellung von Ersatzteilen für die US-Armee im Einsatz genutzt. Binder Jetting wird auch bei der Herstellung von Schmuck verwendet.
Ist Binder Jetting nachhaltig?
Nachhaltigkeit umfasst eine Reihe von Faktoren, aber Binder Jetting bietet im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren sicherlich einige Umweltvorteile.
Da beim Binder Jetting eine breite Palette von pulverförmigen Materialien verwendet wird, ist es möglich, diese vor Ort zu beschaffen und so die Logistik zu reduzieren. Wie bei allen additiven Fertigungsverfahren ist auch beim Binder Jetting der Materialverlust und der Energieverbrauch im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren sehr gering. Die Geschwindigkeit und die hohe Produktionsmenge, die mit Binder Jetting möglich sind, reduzieren den Kohlenstoff-Fußabdruck noch weiter.
Ein weniger offensichtlicher Bereich, der berücksichtigt werden muss, sind die verwendeten Entbindungs- und Reinigungsmethoden sowie die Reinigungsflüssigkeiten, die für diese Schritte verwendet werden. Gängige Bindemittel für Metallteile, wie Carnauba-, Paraffin- oder spezielle Polyethylenwachse, müssen vor dem Sintern selektiv vom Teil entfernt werden. Dies verkürzt die Sinterzeit und kann nun mit modernen, nachhaltigen Binder-Entfernungs-Flüssigkeiten erreicht werden. Darüber hinaus bietet die Anwendung dieser Flüssigkeiten auf Dampfentfettungstechniken eine Reihe zusätzlicher ökologischer Fortschritte, einschließlich der Verringerung der für den Prozess erforderlichen Energie- oder Wassermenge, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
Ist Material Jetting dasselbe wie Binder Jetting?
Zwischen Material Jetting und Binder Jetting gibt es insofern Ähnlichkeiten, als beide Verfahren Partikel auf eine Bauplatte auftragen, um ein 3D-Objekt in Schichten zu erzeugen. Beim Material Jetting werden Tröpfchen aus lichtempfindlichem, flüssigem Harz aufgetragen, die dann mit ultraviolettem Licht gehärtet werden, während beim Binder Jetting Schichten aus pulverförmigen Materialien aufgetragen werden, die mit einem Bindemittel gebunden werden.
Wie genau ist Binder Jetting?
Die Genauigkeit des Binder Jetting hängt davon ab, welche Materialien für das Verfahren verwendet werden und ob Farbe in das Teil eingebracht wird.
Außerdem können die Materialien, die nachbearbeitet werden müssen, schrumpfen (siehe oben unter „Nachteile“), obwohl diese Schrumpfung oft schon in der Bauphase berücksichtigt wird.
Die Maßgenauigkeit von Metall, Vollfarbe oder Keramik/Sand ist z.B.:
- Metall: ± 2% oder 0,2 mm (in Sonderfällen bis hinunter zu ± 0,5% oder ± 0,05 mm)
- Vollfarbe: ± 0,3 mm
- Sand: ± 0,3 mm
Fazit
Beim Binder Jetting wird ein Bindemittel auf die Pulverschichten aufgetragen. Dieses Mittel wirkt wie ein Klebstoff, der die Pulver miteinander verbindet, bevor weiteres Pulver hinzugefügt und gebunden wird, um ein Teil Schicht für Schicht aufzubauen.
Das Verfahren kommt ohne Stützstrukturen aus, kann aber je nach den verwendeten Materialien eine Nachbearbeitung erfordern. Darüber hinaus können farbige Bindemittel verwendet werden, um vollfarbige Teile oder Prototypen herzustellen.
Da das Verfahren mit einer Reihe von Materialien kompatibel ist, unterscheiden sich die genauen Herstellungsschritte entsprechend. Während Metallteile gesintert oder geglüht werden müssen, um die Pulverpartikel richtig zu binden, sind Sandformen, die mit Binder Jetting hergestellt wurden, sofort einsatzbereit. Allerdings müssen Sie in allen Fällen das überschüssige Pulver vor der Fertigstellung des Bauteils entfernen.
Zu den Vorteilen des Binder-Jetting-Verfahrens gehört, dass es sich weniger verzieht, da es bei Raumtemperatur stattfindet, und dass es kostengünstiger als viele andere Verfahren ist und hohe Stückzahlen liefern kann.
Allerdings weisen die Teile in der Regel nur mäßige mechanische Eigenschaften und eine hohe Porosität auf, was bedeutet, dass sie möglicherweise nicht für alle Anforderungen geeignet sind.