Мастерство металлического Binder Jetting: инновации, применение и отраслевые возможности

Изображение выше: винты M5, напечатанные на системе Digital Metal [Источник: Digital Metal]

Металлический Binder Jetting переживает ренессанс. За последнее десятилетие множество новых компаний вошли в гонку, каждая со своим видением этой технологии.

Активность отчасти alimentируется lukrative возможностями: высокая скорость и точность процесса могут сделать его новым методом высокообъёмного производства.

Но какие разработки движут успех этой технологии? Сегодня разберём эволюцию металлического Binder Jetting и почему он взлетает как производственная технология.

Истоки металлического Binder Jetting

Истоки восходят к 1993 г., когда MIT разработал инкжет-процесс для создания 3D-объектов из металлических порошков. Интересно, термин «3D Printing» был введён MIT именно в отношении Binder Jetting.

Extrude Hone Corporation получила эксклюзивную лицензию MIT в 1996 г. С тех пор компания развивала и коммерциализировала системы, первый принтер ProMetal RTS-300 доставлен Motorola в 1999 г.

ExOne, выделенная из Extrude Hone в 2005 г., долго оставалась единственным игроком в металлическом Binder Jetting до начала 2010-х, когда ранние MIT-патенты истекли, открывая рынок новичкам.

С тех пор технология возродилась с видением сделать её по-настоящему production-ready для отраслей.

Как работает металлический Binder Jetting?

Жидкий связующий агент селективно наносится на слои металлического порошка, скрепляя частицы слой за слоем.

Процесс: тонкий слой порошка распределяется, печатающие головки наносят капли связующего агента. Плита опускается, новый слой порошка. Повторяется до завершения детали, ~95% неиспользованного порошка рециклируется.

Свежепечатанные детали находятся в хрупком «зелёном» состоянии и требуют пост-обработки: спекания, инфильтрации для набора прочности.

Помимо металлов, Binder Jetting работает с песком, керамикой.

Этапы пост-обработки для металлического Binder Jetting

Традиционный Binder Jetting наносит жидкий связующий агент на слои порошка. При печати металлов детали в «зелёном» состоянии имеют низкие механические свойства, слабы и ломки. Пост-обработка укрепляет их: отверждение, спекание, инфильтрация, финиш.

1. Отверждение (Curing)

Повышает прочность зелёных деталей для безопасного извлечения с платформы. Детали закаляются в печи ~200 °C несколько часов — становятся значительно прочнее.

2. Спека (Sintering)

После отверждения детали всё ещё высокопористы. Спека или инфильтрация значительно снижают пористость. Обычно в печи с контролируемой атмосферой: термообработка ~1000 °C (в оригинале опечатка — 100°C, правильно ~1000-1300°C) 24–36 ч, связующее сгорает. Металлические частицы сплавляются, давая прочную деталь с низкой пористостью. Спека может давать неоднородное усадку, сложную для прогноза — учитывается на стадии дизайна.

3. Инфильтрация

Для высокой плотности пустоты от сгоревшего связующего заполняют расплавленным бронзовым сплавом. Бронзовая инфильтрация нержавейки даёт итоговую плотность ~95%.

4. Финишная обработка

Опционально: полировка, наплыв золота/никеля для эстетической поверхности.

Почему металлический Binder Jetting взлетает как производственная технология?

Уникальные выгоды:

• Не плавит порошок при печати — нет остаточных напряжений.
• Не нужны поддерживающие структуры — детали окружены свободным порошком. Оба фактора минимизируют пост-обработку.
• Станки дешевле SLM/DED — нет дорогих лазеров/электронных пучков.
• Новые машины используют порошки MIM (Metal Injection Moulding) — значительно дешевле спецпорошков для 3D-печати (газовая атомизация, малые объёмы). Переход на MIM-порошки снижает опэксы.
• Высокая точность, механические свойства, сравнимые с традиционными металлическими компонентами.
• Скорость выше других металлических AM-процессов. В сумме — высоко масштабируемая, production-capable технология.

Последние разработки, движущие металлический Binder Jetting вперёд

2010-е — новая эра. От стартапов до устоявшихся игроков — компании толкают границы.

ExOne продолжает инновации

ExOne — ветеран. За историю запустили 4 системы, каждая — эволюция предыдущей. В 2018 г. представили Innovent+ — новое поколение. Медленнее M-Flex, но две ключевые фичи:

• Ультразвуковой рекоутер — улучшает текучесть порошка, упрощает смену материала. ExOne называет его самым продвинутым дозатором порошка на рынке.
• Четыре конфигурации сит — шире совместимость материалов. Ключ: поддержка стандартных MIM-порошков. Лазерные/электроннолучевые принтеры требуют спецпорошки — дороже. Innovent+ вносит экономию и гибкость.

Масштабировали технологию Innovent+ в производственный X1 25PRO (последний месяц): до 10 материалов на 400 × 250 × 250 мм. Цель: промышленные металлические компоненты с высоким разрешением, тёсными допусками, улучшенной поверхностью.

Digital Metal: автоматизация металлического Binder Jetting

Digital Metal — дочерняя Höganäs Group (лидер по металлическим порошкам). Основана 2012 г., сервис с 2013 г. В 2017 г. запустили DM P2500 для серийного производства мелких сложных деталей.

Слой 0,042 мм, разрешение 35 мкм. Спека даёт шероховатость Ra 6,0 мкм — достаточно для конечных деталей и внутренних каналов. Уже произведено 300 000+ компонентов для авиации, люксовых товаров, стоматологии, промышленности.

В прошлом году запустили полностью автоматизированную производственную концепцию: робот обрабатывает большинство шагов — подачу кассет в принтер, извлечение для пост-обработки. Цель: убрать ручной труд для непрерывного высокообъёмного производства. Огромный шаг вперёд.

HP Metal Jet: 3D-печать как стоимостно-конкурентоспособный производственный выбор

После Multi Jet Fusion для полимеров (2016) HP в 2018 г. представила Metal Jet на базе Binder Jetting. Уникальное преимущество — инновационные печатающая головка и чернила.

Binder Jetting изначально быстр, HP ускорила ещё: 6 печатающих головок по 5280 сопел каждая — высокая продуктивность и надёжность. Экспертиза в чернилах дала инновационный связующий агент для быстрой и дешёвой спекания.

«При MIM обычно >10% по весу связующего, которое нужно сжечь. У нас <1% — на порядок меньше, спека быстрее, дешевле, проще», — Тим Вебер, Global Head of Metals HP, в интервью AMFG.

Результат: экономика и эффективность, сравнимые с конвенциональными производственными технологиями. HP не продаёт станок, а запустила сервис печати деталей, коммерческий запуск планировался на 2020 г. Metal Jet может стать ключом к устойчивой ценностной пропозиции металлической 3D-печати в высокообъёмном производстве.

3DEO: комбинация Binder Jetting и фрезеровки

3DEO (2016 г.) целится в высокообъёмное производство через металлический Binder Jetting. Полностью переизобрели процесс: вместо инкжета — проприетарная спрей-система, наносящая связующее равномерно на весь слой. Получается твёрдый тонкий слой порошка, который фрезуют микро-концевыми фрезами. ЧПУ вырезает форму детали для каждого слоя.

Технология Intelligent Layering — первый гибрид Binder Jetting + ЧПУ фрезеровка. Даёт сверхточные мелкие металлические детали с плотностью >99,5% после спекания.

Технология только через производственный сервис 3DEO — контроль качества и гибкость. Уже работают над крупнейшими заказами в металлической 3D-печати, недавний заказ на 28 000 деталей. Не планируют продавать станки, но растущие объёмы валидируют способность Binder Jetting выдавать производственные детали на уровне конвенциональных.

Desktop Metal: печать металлических деталей поразительной скоростью

Бостонский стартап Desktop Metal (2015 г.) цель — выполнить обещание 3D-печати для производства в масштабе. Разработали экстремально быструю Production System.

Технология Single Pass Jetting (SPJ) — ускоренный Binder Jetting. Две полноширинные печатающие головки, продвинутые распределители порошка, анти-баллистическая система эффективно распределяют порошок и печатают за один быстрый проход.

Объём 750 × 330 × 250 мм, двунаправленная система даёт высокое разрешение до 12 000 см³/ч — >60 кг металлических деталей в час. На порядки быстрее конкурентов — идеально для сложных деталей в высоких объёмах.

Первая Binder Jetting система с промышленной инертной средой: рециркуляция газа, рекуперация растворителя для безопасной печати реактивных металлов (алюминий).

Production System недавно доступна к покупке — время покажет, подтвердятся ли заявления о скорости. Если да — станет самым быстрым Binder Jetting принтером на рынке.

Взгляд в будущее

Металлический Binder Jetting становится ключевой металлической AM-технологией для производства. Уникальные способности: высокая скорость, высокоточные компоненты. Ключевой драйвер — совместимость с дешёвыми известными MIM-порошками.

Ряд компаний осознали прорывной потенциал и активно захватывают возможности. Впереди — дальнейшая эволюция, которая поможет технологии высечь ценную долю общего производственного рынка.

>> Узнайте больше о металлической 3D-печати в нашем Полном руководстве по металлической 3D-печати.