Binder-Jetting ist eine additive Fertigungstechnik, bei der ein Druckkopf selektiv ein flüssiges Bindemittel über eine dünne Schicht von Pulvern – Metall, Sand, Keramik oder Verbundstoffen – aufträgt, um einzigartige, hochwertige Komponenten herzustellen. Eine Karte aus einer digitalen Design-Datei wird verwendet, um den Schichtprozess zu wiederholen, bis das gewünschte Ergebnis erreicht ist.

Umwandlung von Industrie-Pulvern in Werkzeuge und Teile

Binder-Jetting ist eine Familie von additiven Fertigungsprozessen. Beim Binder-Jetting werden Bereiche des Pulverbetts selektiv mit einem Bindemittel bestrichen, das schichtweise die Pulverkörner zu festen Teilen verbindet. Metalle, Sand und Keramiken in körniger Form werden häufig im Binder-Jetting verwendet.

Die Anwendungen des Binder-Jettings umfassen die Herstellung von Prototypen in voller Farbe (wie Figuren), die Produktion von großen Sandgießkernen und -formen sowie die Herstellung von kostengünstigen 3D-gedruckten Metallteilen.

Für diejenigen, die die Vorteile des Binder-Jettings optimal nutzen möchten, ist es wichtig, die grundlegende Mechanik des Prozesses und deren Zusammenhang mit den wichtigsten Vorteilen und Einschränkungen zu verstehen.

Binder-Jetting: Wie funktioniert es?

Der Binder-Jetting-Prozess umfasst die folgenden Schritte:

  1. Die Bauplattform wird mithilfe einer Beschichtungsblende mit Pulver bedeckt.
  2. Anschließend fährt ein Wagen, der mit Tintenstrahldüsen (wie sie in Desktop-2D-Druckern verwendet werden) ausgestattet ist, über das Bett und träufelt selektiv Tropfen von Kleber (Bindemittel) auf, um die Pulverkörner zu verbinden. Beim Binder-Jetting in voller Farbe wird auch dieser Schritt der Verteilung von Farbtinte integriert. Jeder Tropfen hat einen Durchmesser von etwa 80 µm, sodass eine gute Auflösung möglich ist.
  3. Um die Oberfläche neu zu beschichten, bewegt sich die Bauplattform am Ende jeder Schicht nach unten. Der Prozess wird wiederholt, bis das gesamte Teil fertiggestellt ist.
  4. Das Teil wird nach dem Drucken in Pulver eingeschlossen und ausgehärtet. Anschließend wird Druckluft verwendet, um das überschüssige ungebundene Pulver zu entfernen und das Teil zu reinigen.

Die meisten Materialien erfordern eine Nachbearbeitung. Metallteile aus Binder-Jetting müssen beispielsweise gesintert (oder anderweitig wärmebehandelt) oder mit einem Metall mit niedrigerer Schmelztemperatur (meistens Bronze) infiltriert werden. Um die Farbintensität zu verbessern, werden Prototypen außerdem mit Acryl gefüllt und beschichtet. Typischerweise können Sandgießkerne und -formen direkt nach dem 3D-Druck verwendet werden.

Infolgedessen verlassen die Teile den Drucker in einem „grünen“ Zustand. Als grüne Teile leiden die Binder-Jetting-Teile unter schlechten mechanischen Eigenschaften (sehr spröde) und haben eine hohe Porosität.

Binder-Jetting Eigenschaften

Parameter für den Drucker

Die meisten Prozessparameter beim Binder-Jetting werden vom Maschinenhersteller festgelegt.

Im Allgemeinen variiert die Schichthöhe je nach Material: Vollfarbmodelle haben typischerweise eine Schichthöhe von 100 Mikrometern, Metallteile haben typischerweise eine Schichthöhe von 50 Mikrometern und Sandgießformen haben typischerweise eine Schichthöhe von 200-400 Mikrometern.

Die Bindung erfolgt bei Raumtemperatur, was das Binder-Jetting unter den 3D-Drucktechnologien einzigartig macht. Binder-Jetting ist nicht anfällig für thermische Verzerrungen (wie Warping, DMSL/SLM oder Verziehen), die durch thermische Effekte entstehen.

Daher haben Binder-Jetting-Maschinen das größte Bauvolumen aller 3D-Drucktechnologien (bis zu 2200 x 1200 x 600 mm). Formen für Sandgüsse werden in der Regel von diesen großen Maschinen produziert. Ein Binder-Jetting-System für Metall hat ein größeres Bauvolumen als ein DMSL/SLM-System (bis zu 800 x 500 x 400 mm), was die parallele Herstellung mehrerer Teile auf einmal ermöglicht. Aufgrund des nachfolgenden Bearbeitungsschritts ist die maximale Teilgröße auf 50 mm begrenzt.

Zusätzlich erfordert das Binder-Jetting keine Stützstrukturen: Das umgebende Pulver bietet alle notwendigen Stützen (wie beim SLS). Binder-Jetting unterscheidet sich von anderen Metall-3D-Druckprozessen dadurch, dass es keine umfangreichen Stützstrukturen benötigt, was die Herstellung von freiformigen Metallstrukturen mit minimalen geometrischen Einschränkungen ermöglicht. Wie wir in einem späteren Abschnitt sehen werden, ist das metallische Binder-Jetting aufgrund der Nachbearbeitungsschritte anfällig für geometrische Ungenauigkeiten.

Da die Teile beim Binder-Jetting nicht an der Bauplattform befestigt werden müssen, kann das gesamte Bauvolumen genutzt werden. Daher eignet sich das Binder-Jetting für kleine bis mittlere Serienproduktionen. Das gesamte Bauvolumen der Maschine (Behälterpackung) muss effektiv gefüllt werden, um die vollen Möglichkeiten des Binder-Jettings auszuschöpfen.

Binder-Jetting in voller Farbe

Ähnlich wie das Material-Jetting kann Binder-Jetting vollfarbige 3D-gedruckte Teile herstellen. Aufgrund der niedrigen Kosten wird es häufig zum 3D-Drucken von Figuren und topografischen Karten verwendet.

Die Modelle werden in voller Farbe unter Verwendung von Sandsteinpulver oder PMMA-Pulver gedruckt. Zuerst spritzt der Hauptdruckkopf das Bindemittel auf, danach spritzt ein sekundärer Druckkopf eine Farbtinte auf. Ähnlich wie bei einem 2D-Tintenstrahldrucker können verschiedene Farben kombiniert werden, um eine breite Palette von Farben zu erzeugen.

Um die Festigkeit des Teils und die Farbintensität zu verbessern, werden die Teile nach dem Druck mit Cyanacrylat (Superkleber) oder einem anderen Infiltrationsmittel beschichtet. Zusätzlich kann eine sekundäre Epoxidschicht hinzugefügt werden, um sowohl die Festigkeit als auch das Aussehen zu verbessern. Selbst mit diesen zusätzlichen Schritten sind vollfarbige Binder-Jetting-Teile immer noch sehr spröde und sollten nicht für funktionale Anwendungen verwendet werden.

Ein CAD-Modell, das Farbinformationen enthält, ist erforderlich, um vollfarbige Drucke zu erzeugen. Sie können Farbe auf CAD-Modelle auf zwei Arten anwenden: auf einer pro-Fläche-Basis oder als Texturkarte. Das Hinzufügen von Farbe zu jeder Fläche ist ein schneller und einfacher Prozess, aber die Verwendung einer Texturkarte bietet Ihnen mehr Kontrolle und Detailgenauigkeit. Für spezifische Anweisungen konsultieren Sie Ihre native CAD-Software.

Der metallische Binder-Jetting-Prozess

Im Vergleich zu anderen Metall-3D-Druckprozessen (DMSL/SLM) ist das Binder-Jetting bis zu 10-mal wirtschaftlicher. Das Bauvolumen des Binder-Jettings ist beträchtlich, und die Teile werden ohne die Notwendigkeit von Stützstrukturen hergestellt, was die Erstellung komplexer Geometrien ermöglicht. Metall-Binder-Jetting ist daher eine sehr attraktive Technologie für die kostengünstige bis mittlere Metallproduktion.

Metall-Binder-Jetting-Teile sind aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften nicht für High-End-Anwendungen geeignet. Dennoch sind die Materialeigenschaften der produzierten Teile dieselben wie die von Metallteilen, die durch Metall-Spritzguss hergestellt werden, einem der am häufigsten verwendeten Herstellungsverfahren für die Massenproduktion von Metallkomponenten.

Der Infiltrations- und Sinterungsprozess

Um gute mechanische Eigenschaften zu erreichen, erfordern Metall-Binder-Jetting-Teile einen sekundären Prozess nach dem Druck, wie Infiltration oder Sinterung, da die gedruckten Teile hauptsächlich aus Metallpartikeln bestehen, die mit einem Polymerkleber gebunden sind.

Nach dem Druck wird das Teil in einen Ofen gelegt, wo das Bindemittel verbrannt wird, wodurch Hohlräume entstehen. Etwa 60 % des Teils sind zu diesem Zeitpunkt porös. Durch Kapillarwirkung wird dann Bronze in die Hohlräume injiziert, was zu Teilen mit niedriger Porosität und guter Festigkeit führt.

Wenn der Druck abgeschlossen ist, werden die Teile in einen Hochtemperaturofen gelegt, wo das Bindemittel verbrannt und die Metallpartikel gesintert (verknüpft) werden, wodurch Teile mit sehr niedriger Porosität entstehen.

Eigenschaften des Binder-Jetting-Metalls

Die Genauigkeit und Toleranz des Modells können je nach Modell stark variieren und sind schwer vorherzusagen, da sie von der Geometrie abhängen. Die Schrumpfung von Teilen zwischen 25 und 75 mm wird auf etwa 0,8 bis 2 % geschätzt, während die durchschnittliche Schrumpfung größerer Teile zwischen 3 % und 4 % liegt. Während der Sinterung schrumpfen die Teile um etwa 20 %. Die Software des Binder-Jettings kompensiert die Schrumpfung während der Entwurfsphase, aber nicht gleichmäßige Schrumpfung muss möglicherweise bei der Bedienung der Maschine berücksichtigt werden.

Ungenauigkeiten können auch während des Nachbearbeitungsschritts auftreten. Die Temperatur des Teils wird während der Sinterung erhöht, was das Teil weicher macht. Ein nicht unterstützter Bereich kann sich unter seinem eigenen Gewicht verformen, wenn es sich in diesem weichen Zustand befindet. Darüber hinaus kann es während der Schrumpfung des Teils während der Sinterung zu Reibung zwischen der Ofenplatte und der unteren Oberfläche des Teils kommen, was zu Verformungen führt. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, ist eine gute Kommunikation mit dem Binder-Jetting-Maschinenbediener entscheidend.

Sinterisierte oder infiltrierte Binder-Jetting-Metallteile haben eine interne Porosität (Sinterung erzeugt Teile mit 97 % Dichte, während Infiltration etwa 90 % beträgt). Dies beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der Metall-Binder-Jetting-Teile, da die Hohlräume Rissbildung verursachen können. Ermüdung, Bruchfestigkeit und Bruchdehnung sind die Materialeigenschaften, die am stärksten von der internen Porosität betroffen sind. Fortschrittliche metallurgische Prozesse (wie das heiße isostatische Pressen oder HIP) können angewendet werden, um Teile mit fast keiner internen Porosität herzustellen. Für Anwendungen, bei denen die mechanische Leistung entscheidend ist, sind jedoch DMLS oder SLM die empfohlenen Lösungen.

Die Oberflächenrauhigkeit von Metall-Binder-Jetting-Teilen ist ein Vorteil gegenüber DMLS/SLM. Metall-Binder-Jetting-Teile haben typischerweise eine Oberflächenrauhigkeit von Ra 6 µm nach der Nachbearbeitung, die auf Ra 3 µm reduziert werden kann, wenn ein Sandstrahlen-Schritt verwendet wird. Im Vergleich dazu liegt die Oberflächenrauhigkeit von DMLS/SLM-Teilen bei etwa Ra 12-16 µm. Dies ist besonders wichtig für Teile mit inneren Geometrien, wie z. B. interne Kanäle, bei denen die Nachbearbeitung schwierig ist.

Binder-Jetting: Vorteile und Einschränkungen

Die wichtigsten Vorteile und Nachteile der Technologie sind wie folgt zusammengefasst:

  • Binder-Jetting produziert Metallteile und Prototypen in voller Farbe zu einem Bruchteil der Kosten im Vergleich zu DMLS/SLM und Material-Jetting.
  • Binder-Jetting kann sehr große Teile und komplexe Metallgeometrien herstellen, da es nicht durch thermische Effekte (z. B. Verziehen) eingeschränkt ist.
  • Die Fertigungsmöglichkeiten des Binder-Jettings sind ausgezeichnet für die Produktion von kleinen bis mittleren Chargen.
  • Metall-Binder-Jetting-Teile haben aufgrund ihrer höheren Porosität geringere mechanische Eigenschaften als DMSL/SLM-Teile.
  • Mit Binder-Jetting können nur grobe Details gedruckt werden, da die Teile im grünen Zustand sehr spröde sind und während der Nachbearbeitung brechen können.
  • Im Vergleich zu anderen 3D-Druckprozessen bietet Binder-Jetting eine eingeschränkte Materialauswahl.

Richtlinien

  • Verwenden Sie Metall-Binder-Jetting, um Metallteile kostengünstig zu 3D-drucken, für Anwendungen, die keine sehr hohe Leistung erfordern.
  • Binder-Jetting bietet mehr Designfreiheit als DMLS/SLM für metallische 3D-gedruckte Teile, da thermische Effekte während des Fertigungsprozesses kein Problem darstellen.
  • Es eignet sich nur für visuelle Zwecke, da Binder-Jetting sehr spröde ist.
  • Binder-Jetting kann verwendet werden, um sehr große Sandgießkerne und -formen herzustellen.