Введение в струйную 3D-печать связующим

Binder Jetting — это семейство аддитивных производственных процессов. В Binder Jetting связующее вещество выборочно наносится на слой порошка, связывая эти области вместе, чтобы сформировать твердую деталь по одному слою за раз. Материалы, обычно используемые в Binder Jetting, представляют собой металлы, песок и керамику в гранулированной форме.

Binder Jetting используется в различных областях, включая изготовление полноцветных прототипов (например, фигурок), производство крупных стержней и форм для литья в песчаные формы , а также изготовление недорогих металлических деталей с помощью 3D-печати .

С такими разнообразными приложениями для дизайнера, который хочет использовать возможности Binder Jetting в полной мере, важно понимать основную механику процесса и то, как они связаны с его основными преимуществами и ограничениями .

Как работает Binder Jetting?

Вот как работает процесс Binder Jetting:

I. Во-первых, лезвие для повторного покрытия наносит тонкий слой порошка на строительную платформу.
II. Затем каретка со струйными соплами (которые аналогичны соплам, используемым в настольных 2D-принтерах) проходит над станиной, выборочно нанося капли связующего вещества (клея), которые связывают частицы порошка вместе. При полноцветной струйной печати на этом этапе также наносятся цветные чернила. Размер каждой капли составляет примерно 80 мкм в диаметре, поэтому можно достичь хорошего разрешения.
III. Когда слой завершен, рабочая платформа перемещается вниз, и лезвие повторно покрывает поверхность. Затем процесс повторяется до тех пор, пока вся часть не будет завершена.
IV. После печати деталь герметизируется порошком и оставляется для отверждения и набора прочности. Затем деталь вынимается из бункера для порошка, а несвязанный излишек порошка очищается сжатым воздухом.
В зависимости от материала обычно требуется этап постобработки. Например, металлические детали Binder Jetting необходимо спекать (или иным образом подвергать термообработке) или пропитывать низкотемпературным металлом (обычно бронзой). Полноцветные прототипы также пропитаны акрилом и покрыты для улучшения яркости цветов. Стержни и формы для литья в песчаные формы обычно готовы к использованию после 3D-печати.
Это связано с тем, что детали  «зеленые», когда покидают принтер. Связующее в сыром состоянии имеют плохие механические свойства (они очень хрупкие) и высокую пористость.

Характеристики Binder Jetting

Параметры принтера
В Binder Jetting почти все параметры процесса задаются производителем машины.

Типичная высота слоя зависит от материала: для полноцветных моделей типичная высота слоя составляет 100 микрон, для металлических деталей 50 микрон и для материалов для литья в песчаные формы 200-400 микрон.

Ключевым преимуществом Binder Jetting по сравнению с другими процессами 3D-печати является то, что склеивание происходит при комнатной температуре . Это означает, что искажения размеров, связанные с тепловыми эффектами (такие как деформация в FDM , SLS , DMSL/SLM или скручивание в SLA/DLP ), не являются проблемой при струйной печати Binder.

В результате объем сборки машин Binder Jetting является одним из самых больших по сравнению со всеми технологиями 3D-печати (до 2200 x 1200 x 600 мм). Эти большие машины обычно используются для производства форм для литья в песчаные формы. Системы Metal Binder Jetting обычно имеют большие объемы сборки, чем системы DMSL/SLM (до 800 x 500 x 400 мм), что позволяет параллельно производить несколько деталей одновременно. Однако максимальный размер детали ограничен рекомендуемой длиной до 50 мм из-за этапа постобработки.

Кроме того, Binder Jetting не требует поддерживающих структур : окружающий порошок обеспечивает детали всю необходимую поддержку (аналогично SLS ). В этом ключевое отличие металлической струйной печати Binder Jetting от других процессов 3D-печати металлом, которые обычно требуют широкого использования опорных конструкций и позволяют создавать металлические конструкции произвольной формы с очень небольшими геометрическими ограничениями. Геометрические неточности при струйной струйной обработке металлическим связующим возникают в основном из-за этапов постобработки, как описано в следующем разделе .

Поскольку детали в Binder Jetting не нужно прикреплять к платформе сборки, можно использовать весь объем сборки. Таким образом, Binder Jetting подходит для мелко- и среднесерийного производства . Чтобы воспользоваться всеми возможностями Binder Jetting, очень важно продумать, как эффективно заполнить весь рабочий объем машины (упаковка в бункер).

Струйная 3Д печать металлических изделий BJM
Струйная печать металлическим связующим до 10 раз экономичнее, чем другие процессы 3D-печати металлом (DMSL/SLM). Кроме того, размер сборки Binder Jetting значительно больше, а производимые детали не требуют опорных конструкций во время печати, что позволяет создавать сложные геометрические формы. Это делает струйную струйную обработку металлического связующего очень привлекательной технологией для производства металлов с малым и средним содержанием .

Основным недостатком металлических деталей Binder Jetting являются их механические свойства, которые не подходят для высокотехнологичных применений. Тем не менее, свойства материала изготовленных деталей эквивалентны металлическим деталям, изготовленным методом литья под давлением, который является одним из наиболее широко используемых методов массового производства металлических деталей.

Инфильтрация и спекание
Детали для струйной печати с металлическим связующим требуют вторичной обработки после печати, такой как пропитка или спекание , для достижения их хороших механических свойств, поскольку детали после печати в основном состоят из металлических частиц, связанных вместе полимерным клеем.

Инфильтрация: после печати деталь помещается в печь, где связующее вещество выжигается, оставляя пустоты. В этот момент деталь является примерно на 60% пористой. Затем бронза используется для заполнения пустот за счет капиллярного действия, в результате чего получаются детали с низкой пористостью и хорошей прочностью.

Спекание: после завершения печати детали помещаются в высокотемпературную печь, где связующее вещество выжигается, а оставшиеся металлические частицы спекаются (связываются) вместе, в результате чего получаются детали с очень низкой пористостью.

Характеристики металлического Binder Jetting
Точность и допуск могут сильно различаться в зависимости от модели, и их трудно предсказать, поскольку они сильно зависят от геометрии. Например, детали длиной до 25–75 мм после пропитки дают усадку от 0,8 до 2 %, в то время как более крупные детали имеют расчетную среднюю усадку в 3 %. При спекании усадка детали составляет примерно 20 %. Размеры деталей компенсируются за усадку программным обеспечением машины, но неравномерная усадка может быть проблемой и должна учитываться на этапе проектирования в сотрудничестве с оператором машины Binder Jetting.

Этап постобработки также может быть источником неточностей. Например, при спекании деталь нагревается до высокой температуры и становится мягче. В этом более мягком состоянии неподдерживаемые участки могут деформироваться под собственным весом. Кроме того, поскольку деталь усаживается при спекании, здесь возникает трение между плитой печи и нижней поверхностью детали, что может привести к короблению . Опять же, общение с оператором машины Binder Jetting играет ключевую роль в обеспечении оптимальных результатов.

Спеченные или пропитанные связующим металлические детали будут иметь внутреннюю пористость (при спекании получаются детали с плотностью 97%, а при пропитке примерно 90%). Это влияет на механические свойства металлических деталей Binder Jetting, так как пустоты могут привести к возникновению трещин. Усталость, прочность на излом и удлинение при разрыве — это свойства материала, на которые больше всего влияет внутренняя пористость. Усовершенствованные металлургические процессы (такие как горячее изостатическое прессование или HIP) могут применяться для производства деталей практически без внутренней пористости. Однако для приложений, где механические характеристики имеют решающее значение, рекомендуемыми решениями являются DMLS или SLM .

Преимуществом струйной обработки металлическим связующим по сравнению с DMLS/SLM является шероховатость поверхности изготавливаемых деталей. Как правило, металлические детали, обработанные струйной обработкой связующим, имеют шероховатость поверхности Ra 6 мкм после постобработки, которая может быть уменьшена до Ra 3 мкм, если используется стадия дробеструйной обработки. Для сравнения, шероховатость поверхности деталей DMLS/SLM после печати составляет примерно Ra 12–16 мкм. Это особенно полезно для деталей с внутренней геометрией , например внутренних каналов, где постобработка затруднена.

Преимущества и ограничения струйной обработки связующего

Ниже приведены основные преимущества и недостатки технологии:

• Binder Jetting производит металлические детали и полноцветные прототипы за небольшую часть стоимости по сравнению с DMLS/SLM и Material Jetting соответственно.
• Binder Jetting позволяет изготавливать очень большие детали и металлические детали сложной геометрии, поскольку она не ограничена какими-либо тепловыми эффектами (например, деформацией).
• Производственные возможности Binder Jetting превосходны для мелкосерийного и среднесерийного производства.
• Детали Metal Binder Jetting имеют более низкие механические свойства, чем детали DMSL/SLM, из-за их более высокой пористости.
• С помощью Binder Jetting можно печатать только грубые детали, так как в сыром состоянии детали очень хрупкие и могут сломаться во время постобработки.
• По сравнению с другими процессами 3D-печати, Binder Jetting предлагает ограниченный выбор материалов.

Эмпирические правила

• Выберите Metal Binder Jetting для 3D-печати металлических деталей по низкой цене для приложений, не требующих очень высокой производительности.
• Для металлических 3D-печатных деталей Binder Jetting предлагает большую свободу проектирования, чем DMLS/SLM , поскольку тепловые эффекты не являются проблемой в процессе производства.