Binder Jetting — категория процессов 3D-печати

  • автор:

Binder Jetting — это процесс аддитивного производства, при котором жидкий связующий агент выборочно наносится для соединения порошковых материалов. Это одновременно и категория процессов и технология 3д печати согласно российскому ГОСТ Р 57558-2017/ и европейскому ISO/ASTM 52900:2015.

Binder Jetting используется в различных приложениях. Включая изготовление полноцветных прототипов (таких как статуэтки), производство больших стержней и форм для литья в песок. А также производство недорогих металлических 3D-печатных деталей.

Что такое Binder Jetting

Что такое Binder Jetting?

Проектировщик, который хочет в полной мере использовать возможности Binder Jetting, должен понимать основную механику процесса. И то, как они связаны с его основными преимуществами и ограничениями.

Материалы, обычно используемые в Binder Jetting? Это металлы, песок и керамика в гранулированной форме.

Процесс переплетения:

Как работает Binder Jetting-3

Как работает Binder Jetting?

Вот как работает процесс Binder Jetting (BJ):

  1. Во-первых, лезвие для повторного покрытия распределяет тонкий слой порошка по строительной платформе.
  2. Затем каретка со струйными соплами (которые похожи на сопла, используемые в настольных 2D-принтерах) проходит над слоем. Избирательно осаждая капли связующего агента (клея), которые связывают частицы порошка вместе. При выполнении полноцветной струйной печати на этом этапе также наносятся цветные чернила. Размер каждой капли составляет около 80 мкм в диаметре. В результате, может быть достигнуто хорошее разрешение.
  3. Когда слой завершен, строительная платформа движется вниз. Лезвие повторно покрывает поверхность. Затем процесс повторяется до тех пор, пока вся деталь не будет завершена.

Примечание. После печати деталь инкапсулируется в порошок. После чего остается отверждаться и приобретать прочность. Затем деталь удаляется из бункера для порошка. А несвязанный избыточный порошок очищается воздухом под давлением.

В зависимости от материала обычно требуется этап последующей обработки. Так, например, металлические детали Binder Jetting спекают (или иной способ термической обработки). Или инфильтруют с низкой температурой плавления металлом (как правило, бронза).

Полноцветные прототипы также пропитаны акрилом. Чтобы улучшить яркость цветов. Стержни и песчаные формы для литья обычно готовы к использованию после 3D-печати. Это связано с тем, что детали находятся в зеленом состоянии (до отверждения), когда они покидают принтер. Детали, связывающие струи в «зеленом» состоянии, имеют плохие механические свойства. Они очень хрупкие и имеют высокую пористость.

Технологии 3д печати Binder Jetting — характеристики

Параметры принтера

В Binder Jetting почти все параметры процесса устанавливаются производителем станка.

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.

Основное преимущество Binder Jetting перед другими процессами 3D-печати? Склеивание происходит при комнатной температуре. В результате, искажения размеров, связанные с тепловыми эффектами, не являются проблемой. Такие как деформация в FDM, SLS, DMSL/SLM или скручивание в SLA/DLP.

В итоге, объем сборки машин BJ 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 изготовления литейных форм для песка. Системы Binder Jetting обычно имеют большие объемы сборки, чем системы DMSL/SLM (до 800 x 500 x 400 мм). Что позволяет параллельно изготавливать несколько деталей одновременно. Максимальный размер детали ограничен рекомендуемой длиной до 50 мм. Это связано с этапом последующей обработки.

Кроме того, Binder Jetting не требует опорных конструкций. Окружающий порошок обеспечивает детали всей необходимой опорой (аналогично SLS).

Это ключевое отличие между металлическим BJ и другими процессами 3D-печати на металле. Которые обычно требуют широкого использования опорных конструкций. И позволяют создавать металлические конструкции произвольной формы с очень небольшим количеством геометрических ограничений.

Геометрические неточности в струйной обработке металла в основном связаны с этапами последующей обработки. (см. в следующем разделе).

Очень важно продумать, как эффективно заполнить весь объем сборки машины (упаковка бункера). Чтобы воспользоваться всеми возможностями Binder Jetting.

Полноцветная печать

Полноцветная печать BJ

Binder Jetting может производить полноцветные 3D-печатные детали так же, как Material Jetting. Он часто используется для 3D-печати статуэток и топографических карт из-за его низкой стоимости.

Полноцветные модели печатаются с использованием порошка песчаника или порошка PMMA. Основная печатающая головка сначала выпускает связующий агент. А вторичная печатающая головка — цветные чернила.

Чернила разных цветов можно комбинировать для получения очень большого массива цветов. Аналогично двухмерному струйному принтеру.

После печати детали покрывают цианоакрилатом (супер-клеем) или другим инфильтрантом. Чтобы улучшить прочность деталей и повысить яркость цветов. Затем может быть добавлен вторичный эпоксидный слой для дальнейшего улучшения прочности и внешнего вида цвета.

Даже с этими дополнительными шагами полноцветные детали BJ очень хрупкие. В результате, не рекомендуются для функционального применения.

Для получения полноцветных отпечатков необходимо предоставить модель CAD, содержащую информацию о цвете. Цвет можно применить к моделям САПР двумя способами: на основе подхода к лицу или в виде карты текстуры.

Применение цвета для каждого лица выполняется быстро и легко. Но использование карты текстуры позволяет получить больше элементов управления и больше деталей. Обратитесь к программному обеспечению САПР для получения конкретных инструкций

Стержни и формы для литья в песчаные формы

Стержни и формы для литья в песчаные формы

Производство крупногабаритных моделей для литья в песчаных формах является одним из наиболее распространенных применений для струйной переплетки.

Низкая стоимость и скорость процесса делают его отличным решением для сложных схем проектирования. Которые было бы очень трудно, или даже невозможно, изготовить с использованием традиционных методов.

Ядра и формы обычно печатаются песком или кремнеземом. После печати формы обычно сразу готовы к разливке. Литой металлический компонент обычно удаляется из них после отливки путем разрушения кристаллизатора.

Экономия времени и средств по сравнению с традиционным производством является существенной. Хотя эти формы используются только один раз.

Струйное связывание металла

Струйная обработка металлическим вяжущим в 10 раз экономичнее, чем другие процессы 3D-печати (DMSL/SLM). Кроме того, размер сборки Binder Jetting достаточно велик. И изготовленные детали не требуют опорных конструкций во время печати.

Это позволяет создавать сложные геометрии. В итоге делает BJ очень привлекательной технологией для производства металла с низким и средним содержанием.

Основные недостатки металлических деталей Binder Jetting? Например, их механические свойства. Которые не подходят для высокопроизводительных применений.

Тем не менее, свойства материала изготавливаемых деталей эквивалентны металлическим деталям, изготовленным методом литья под давлением металла. Это является одним из наиболее широко используемых методов производства для массового производства металлических деталей.

Инфильтрация и спекание

Металлический Binder Jetting для струйных деталей требует вторичный процесс после печати. Например, такой как инфильтрация или спекание для достижения их хороших механических свойств. Поскольку напечатанные детали в основном состоят из металлических частиц, связанных вместе полимерным клеем.

Проникновение. После печати деталь помещается в печь, где связующее сгорает, оставляя пустоты. На данный момент, деталь является приблизительно на 60% пористой. Затем бронза используется для проникновения в пустоты посредством капиллярного воздействия. В результате чего получаются детали с низкой пористостью и хорошей прочностью.

Спекание. После завершения печати детали помещаются в высокотемпературную печь, где связующее сгорает. 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. Но их трудно предсказать, поскольку они сильно зависят от геометрии. Например, детали с длиной до 25 — 75 мм после инфильтрации дают усадку от 0,8 до 2%. В то время как у крупных деталей средняя усадка оценивается в 3%.

Для спекания усадка детали составляет приблизительно 20%. Размеры деталей компенсируются усадкой с помощью программного обеспечения станка. Но неравномерная усадка может быть проблемой. Она должна учитываться на этапе проектирования в сотрудничестве с оператором станка Binder Jetting.

Этап постобработки

Также может быть источником неточностей. Например, во время спекания деталь нагревается до высокой температуры и становится более мягкой. В этом более мягком состоянии неподдерживаемые области могут деформироваться под действием собственного веса.

Кроме того, здесь возникает трение между плитой печи и нижней поверхностью детали. Поскольку деталь усаживается во время спекания. В результате это может привести к деформации. Но опять же, связь с оператором машины Binder Jetting является ключевым фактором для обеспечения оптимальных результатов.

Спеченные или инфильтрованные связующие

Металлические детали струйной печати будут иметь внутреннюю пористость. При спекании образуются детали с плотностью 97%, а при инфильтрации — около 90%.

Это влияет на механические свойства металлических деталей Binder Jet. Так как пустоты могут привести к образованию трещин. Усталость и прочность на разрыв, а также удлинение при разрыве — это те свойства материала, которые наиболее подвержены влиянию внутренней пористости.

Усовершенствованные металлургические процессы могут применяться для изготовления деталей практически без внутренней пористости. Например, такие как горячее изостатическое прессование или HIP. Для приложений, где механические характеристики имеют решающее значение, DMLS или SLM являются рекомендованными решениями.

Преимущество металлического Binder Jetting по сравнению с DMLS/SLM? Это шероховатость поверхности изготавливаемых деталей. Как правило, детали с металлической связующей струей имеют шероховатость поверхности Ra 6 мкм после последующей обработки.

Которая может быть уменьшена до Ra 3 мкм, если используется стадия струйной обработки. Для сравнения, шероховатость поверхности при печати деталей DMLS/SLM составляет приблизительно Ra 12-16 мкм. Это особенно полезно для деталей с внутренней геометрией. Например, внутренних каналов, где постобработка затруднена.

Различия основных механических свойств деталей из нержавеющей стали, напечатанных с помощью Binder Jetting и DMLS/SLM:

Binder Jetting из нержавеющей стали 316 (спеченный)

Давление — 214 Мпа

Относительное удлинение при разрыве   — 34%

Модуль упругости — 165 ГПа

Binder Jetting из нержавеющей стали 316 (бронза инфильтрирована) DMLS/SLM:

Давление — 283 МПа

Относительное удлинение при разрыве — 14,5%

Модуль упругости — 135 ГПа

Нержавеющая сталь 316L

Давление — 470 МПа

Относительное удлинение при разрыве — 40%

Модуль упругости — 180 ГПа

Общие связующие материалы струи

Порошки Binder Jetting входят в ассортимент материалов 3д печати. Окончательное применение детали определяет наиболее подходящий порошок.

Стоимость керамических порошков обычно низкая. Металлические порошки являются более дорогими. Но более экономичными, чем материалы DMSL/SLM. В отличие от процесса SLS, 100% несвязанного порошка может быть переработано. Что приводит к большей экономии материала.

Полноцветный песчаник:  

Полноцветные нефункциональные модели

Очень хрупкий

Кремнезем песок:

Очень высокое тепловое сопротивление

Отлично подходит для литья песка

Нержавеющая сталь (бронза инфильтрирована):

Хорошие механические свойства

Может быть обработан

~ 10% внутренней пористости

Нержавеющая сталь (спеченная):

Очень хорошие механические свойства

Высокая коррозионная стойкость

~ 3% внутренняя пористость

Инконель сплав (спеченный):

Отличные механические свойства

Хорошая термостойкость

Высокая химическая стойкость

Карбид вольфрама (спеченный):

Очень высокая твердость

Используется для производства режущих инструментов

Категория процессов Binder Jetting — преимущества и ограничения:

  • Binder Jetting производит металлические детали и полноцветные прототипы за меньшую стоимость по сравнению с DMLS/SLM и Material Jetting соответственно.
  • Binder Jetting может производить очень большие детали и сложные металлические геометрии. Так как он не ограничен никакими тепловыми эффектами (например, деформацией).
  • Производственные возможности Binder Jetting превосходны для производства небольших и средних партий .
  • Детали из металлического связующего для струйной обработки имеют более низкие механические свойства, чем детали из DMSL/SLM, из-за их более высокой пористости.
  • С помощью Binder Jetting можно печатать только грубые детали. Так как детали очень хрупкие в своем зеленом состоянии. И могут разрушиться во время последующей обработки.
  • По сравнению с другими процессами 3D-печати Binder Jetting предлагает ограниченный выбор материалов .

Основные характеристики Binder Jetting:

Binder Jetting

Материалы — Металлы, Керамика (песок)

Точность размеров — Металл: ± 2% или 0,2 мм (до ± 0,5% или ± 0,05). Полноцветный: ± 0,3 мм. Песок: ± 0,3 мм.

Типичный размер сборки — Металл: 400 x 250 x 250 мм (до 800 x 500 x 400 мм). Полноцветный: 200 x 250 x 200 мм (до 500 x 380 x 230 мм). Песок: 800 x 500 x 400 (до 2200 x 1200 х 600 мм).

Общая толщина слоя — Металл: 35 — 50 мкм. Полноцветный: 100 мкм. Песок: 200 — 400 мкм.

Поддержка — Не требуется

Эмпирические правила

  • Выбирайте металлическую Binder Jetting для 3D-печати металлических деталей, которые не требуют очень высокой производительности, по низкой цене.
  • Для металлических 3D-печатных деталей Binder Jetting предлагает большую свободу дизайна, чем DMLS/SLM. Так как тепловые эффекты не являются проблемой в процессе производства.
  • Полноцветные детали Binder Jetting очень хрупкие и подходят только для визуальных целей.
  • Используйте Binder Jetting для производства очень больших стержней и форм для литья песка.

По материалам: 3dhubs.com

Все новости в наших группах: вконтакте, twitter, facebook