Binder Jetting и Material Jetting:ключевые различия в технологиях 3D-печати

Струя связующего вещества и струйная обработка материала — это две родственные технологии 3D-печати, которые на первый взгляд имеют сходство. При ближайшем рассмотрении различия оказываются гораздо больше. Струйная очистка связующего — это процесс, адаптируемый к материалу, в порошковом слое. Срезы модели соединяются и закрепляются на срезе ниже путем распыления широкого спектра клеящих составов с помощью методов пузырьковой или струйной печати для печати/приклеивания изображения среза.

При струйной печати материалов также используется технология пузырьковой струи, но фрагменты модели печатаются непосредственно на сборочном столе. Обычно используются модифицированные акриловые смолы или эпоксидные смолы. Струйная обработка связующим обеспечивает экономичное и быстрое производство деталей с относительно низким разрешением из широкого спектра материалов, а струйная обработка материалов обеспечивает более высокое разрешение, подходящее для детализированных пластиковых прототипов и моделей. Выбор применимой технологии зависит от конкретных требований проекта, включая разрешение, материалы и объем производства.

В этой статье будут обсуждаться различия между струйной обработкой связующего и струйной обработкой материала с точки зрения их процессов, преимуществ и недостатков, выбора материала, типов и многого другого.

Что такое Binder Jetting?

Струйная обработка связующим — это процесс аддитивного производства, при котором порошкообразный материал, обычно металл, песок, гипс или керамика, наносится слой за слоем. Жидкий связующий агент, обычно полимер, избирательно наносится на слой порошка для склеивания частиц вместе. В этом процессе создается каждый фрагмент 3D-модели путем затвердевания связующего при контакте или на этапе пост-отверждения. 

Связующее наносится с помощью струйных головок, таких как пьезоэлектрические или термические (пузырьково-струйные) сопла. После нанесения связующее вещество заставляет частицы этого слоя связываться друг с другом и с ранее напечатанным слоем. Несвязанный порошок остается рыхлым, служа естественной опорной структурой во время сборки. По краям области печати капиллярное действие приводит к тому, что связующее слегка просачивается в окружающий порошок, что может снизить разрешение и четкость краев, особенно при нанесении мелкого порошка. Эта зона кровотечения является одним из основных ограничений для достижения функций высокого разрешения. 

Некоторые системы струйной печати включают в себя дополнительный этап печати для нанесения полноцветных пигментов, что позволяет создавать подробные разноцветные прототипы. Эти цвета внедрены в деталь и могут выдерживать такие этапы последующей обработки, как пропитка, шлифовка или герметизация.

Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с нашим руководством по Binder Jetting.

Иллюстрация струйной печати связующего.

Каковы преимущества и недостатки 3D-печати Binder Jetting?

Струйная обработка связующим имеет свои преимущества и недостатки, поэтому выбор ее для проекта часто становится очевидным. Преимущества этого подхода:

1. Более быстрое время изготовления по сравнению со многими другими процессами 3D-печати, особенно для крупных деталей или деталей, напечатанных партиями.
2. Экономично для массового производства, поскольку сырье (порошки и связующие), как правило, недорогие, а процесс не требует никаких опорных конструкций за пределами окружающего слоя порошка.
3. Низкий уровень отходов материала и простая последующая обработка:неиспользованный порошок легко утилизируется и используется повторно.
4. Широкая совместимость с материалами, включая металлы (например, нержавеющую сталь, бронзу, алюминий), керамику, песок и гипс.
5. Возможность создавать сложные геометрические формы и внутренние элементы, которые было бы трудно или невозможно изготовить традиционными методами.
6. Большие объемы сборки достижимы благодаря относительно простому оборудованию и масштабируемой установке порошкового слоя.

Широко известны недостатки струйной печати связующего:

1. Детали, изготовленные методом струйной обработки связующего, обычно имеют зернистую или пористую текстуру поверхности, поскольку они изготовлены из связанного порошка. В то время как более ранние системы использовали порошки с размером частиц около 100 мкм, современные системы сократили его примерно до 10 мкм. Тем не менее, гладкость поверхности по-прежнему уступает другим методам печати, таким как SLA или струйная печать.
2. Необработанные детали механически слабы и непригодны для несущих нагрузок. Спекание может улучшить прочность, но этот процесс приводит к усадке и деформации, влияя на точность размеров. Даже при спекании поддерживать точность размеров бывает сложно из-за усадки и термической деформации.
3. Детали, обработанные струйной обработкой связующего, часто имеют значительную внутреннюю пористость. Для достижения достаточной прочности или плотности требуются дополнительные этапы, такие как пропитка металлом, горячее изостатическое прессование (ГИП) или спекание, что увеличивает стоимость и сложность.
4. Разрешение среднее; Растекание связующего материала по краям печати снижает детализацию по сравнению с технологиями более высокого разрешения, такими как SLA или струйная печать.
5. Свойства материала обычно хуже, чем те, которые достигаются с помощью таких методов, как SLS, DMLS или FDM с армированными нитями.
6. При работе с мелкими порошками существуют проблемы безопасности. Металлическая и керамическая пыль представляет собой риск вдыхания и загрязнения, требующий надлежащей вентиляции и средств индивидуальной защиты (СИЗ).

Каковы примеры 3D-печати Binder Jetting?

Одним из наиболее распространенных применений струйной печати с переплетом является изготовление фотографического реквизита, такого как упаковка продуктов и статуэтки, которые необходимы для приложений с нулевым стрессом. Все чаще сообщается, что струйная обработка связующим является практическим средством быстрого производства металлических компонентов относительно низкой точности и грубой обработки поверхности. Хотя применение таких деталей ограничено, при соответствующих свойствах они могут служить очень хорошо, при относительно быстром производстве и низкой стоимости.

Часть струи связующего вещества изготовлена из нержавеющей стали Xometry

Что такое струйная обработка материала?

Струйная струя материала — это технология 3D-печати, в которой используются методы струйной или пузырьковой печати для доставки жидкого фотополимера или воска для сборки и поддержки материалов непосредственно на платформу сборки. Печатный материал частично или полностью отверждается в процессе печати, прежде чем стол опустится и будет применен следующий фрагмент модели.

В процессе печати обычно используются два (или более) связанных материала в конструкции слоя. Строительные материалы обычно представляют собой полимеры, отверждаемые при нагревании или УФ-излучении, которые могут быть жесткими, полугибкими или псевдоэластомерами. В некоторых вариантах процесса в качестве строительного материала используется воск, что позволяет напрямую производить мастера литья по выплавляемым моделям высочайшего качества без необходимости квалифицированного мастерства. Вспомогательный материал печатается с помощью дополнительных печатающих головок. Такой материал поддержки будет либо химически растворимым, либо водорастворимым вариантом строительного материала, который полностью прикрепляется к модели, но может быть позже удален. Усовершенствованные системы могут позволять смешивать или чередовать различные строительные материалы во время печати. Это обеспечивает градацию свойств, когда механические характеристики детали изменяются в зависимости от региона (например, от мягкого к жесткому) и переключение материала, чтобы изменить функциональное поведение в пределах одной и той же геометрии детали.

Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с нашим руководством по струйной обработке материалов.

Иллюстрация струйной обработки материала.

Каковы преимущества и недостатки струйной 3D-печати?

Преимущества струйной обработки материала:

1. Он обеспечивает исключительное разрешение печати, самое высокое среди имеющегося в продаже оборудования. Он идеально подходит для печати сложных моделей с мелкими деталями и тонкими срезами.
2. Некоторые машины этого класса могут одновременно печатать двумя материалами в переменных пропорциях от 0 до 100%. Это позволяет создавать переменные и пользовательские свойства материала и, в очень ограниченной степени, некоторые варианты изменения цвета.
3. Он обеспечивает высокую точность и повторяемость. Если калибровка машины выполнена тщательно и правильно, напечатанные детали точно соответствуют цифровому дизайну.
4. Тип машины для этого процесса относительно быстрый по сравнению с другими технологиями хорошего разрешения, такими как стереолитография (SLA).
5. Доступные фотополимерные материалы включают:жесткие (различные цвета), гибкие (резиноподобные от 30 до 90 по Шору А), прозрачные (качество линзы/окна) и биосовместимые варианты. Семейство материалов постоянно расширяется, а свойства материалов постепенно улучшаются и приближаются к свойствам формованных пластмасс.
6. Опорные материалы, напечатанные совместно с конструкцией, легко снимаются и сохраняют целостность сложных выступов и геометрических форм без чрезмерных затрат или трудностей с очисткой.
7. В отличие от SLA, струйная обработка материала не требует последующего отверждения в УФ-камерах, что упрощает этапы последующей обработки. Смолы отверждаются сразу после печати, поскольку в ходе того же процесса над ними проходят мощные УФ-лампы.

Некоторые недостатки включают в себя:

1. Используемые фотополимерные материалы стоят от высокой до очень высокой и, как правило, производятся из одного источника.
2. Она ограничена запатентованными фотополимерными смолами и не имеет широкого спектра возможностей, доступных в некоторых других технологиях.
3. Объемы сборки зачастую меньшие по сравнению с некоторыми технологиями 3D-печати.
4. Удаление некоторых сложных опор может быть деликатным и требующим квалифицированной работы ручным процессом. Для достижения косметического результата обычно необходимы дополнительные этапы постобработки.
5. Обслуживание оборудования и основные повседневные эксплуатационные расходы — это задачи, требующие квалифицированной работы и требующие дорогостоящих компонентов от одного производителя. Это значительно увеличивает затраты на печать, и экономия средств в этом отношении может иметь катастрофические последствия.

Каковы примеры струйной 3D-печати?

Некоторые примеры деталей, напечатанных методом струйной печати на 3D-принтере:

1. Точные модели зубных коронок, мостов и зубных протезов, где точность и качество поверхности имеют решающее значение.
2. Детальные восковые модели для литья по выплавляемым моделям, особенно для ювелирных изделий и небольших металлических деталей, требующих мельчайших деталей и гладких поверхностей.
3. Прототипы аэрокосмических компонентов используются для проверки посадки, формы и аэродинамических испытаний перед окончательным производством.
4. Прототипы бытовой электроники, включая специальные корпуса для устройств, корпуса миниатюрных компонентов и блоки оценки проектов.
5. Микрофлюидные устройства со сложными внутренними каналами используются в диагностике, науках о жизни и исследованиях. Сюда входят сложные детали, такие как микрораспределительные форсунки и микроклапаны типа Теслы, производство которых традиционными методами обходится дорого или нецелесообразно.

Что лучше:3D-печать Binder Jetting или 3D-печать Material Jetting?

Выбор между струйной обработкой связующего и струйной обработкой материала зависит от конкретных требований применения, таких как совместимость материалов, разрешение, стоимость и требования к последующей обработке. Струйная обработка материала обычно предпочтительна для задач печати с высоким разрешением, где точность, качество поверхности и сложные детали имеют решающее значение. Он идеально подходит для применений, связанных с жесткими или резиноподобными полимерами, прозрачными деталями или биосовместимыми компонентами. Это также доминирующий метод прямой печати восковых деталей, используемых при высокоточном литье по выплавляемым моделям. Хотя струйная обработка связующим добилась успехов в области гибких материалов, этим деталям обычно не хватает механической прочности и точности, что делает их непригодными для функционального или конструкционного использования.

С другой стороны, струйная обработка связующим в настоящее время является единственным практическим методом 3D-печати металлических деталей без процессов плавления. Это также идеальная технология изготовления песчаных форм и стержней для литья, а также лучший вариант для полноцветной печати визуальных или презентационных моделей. Хотя струйная обработка материала не может печатать на металле, она превосходит струйную обработку связующим по точности полимерных деталей, гибкости материала и точному воспроизведению деталей.

Разница в процедурах

Binder Jetting – это технология, основанная на использовании порошка. Он наносит жидкое связующее на слои порошка (например, металла, песка или керамики). После печати рыхлый несвязанный порошок удаляется, и напечатанная деталь может подвергаться этапам последующей обработки, таким как спекание или пропитка. При струйной печати материалов, напротив, используются печатающие головки струйного типа для нанесения крошечных капель фотополимера непосредственно на платформу сборки. Эти капли отверждаются УФ-излучением во время печати, и материал подложки одновременно наносится с помощью отдельных сопел. После завершения печати опоры удаляются водой или химическими промывками.

Разница в типах

Существует несколько классификаций струйной 3D-печати со связующим:струйная печать с одним материалом, струйная обработка с несколькими материалами, струйная обработка с цветным связующим, струйная обработка с песчаным связующим, струйная обработка с металлическим или керамическим связующим, струйная обработка с полимерным связующим и струйная обработка с гибридным связующим.

При струйной обработке связующего для одного материала используется один порошок, а связующее наносится для создания слоев объекта и связывания их с нижним слоем. При струйной очистке нескольких материалов связующим используется несколько порошковых материалов, обычно в виде чередующихся слоев металлов, керамики и полимеров. Выбор связующего вещества, подходящего для каждого порошкового материала, позволяет печатать детали из нескольких материалов, композитов или деталей с градуированными свойствами. 

Цветная переплетная струя включает в себя полноцветную 3D-печать. Обычно он сочетает в себе гипсовые строительные материалы и связующие вещества для печати с полноцветной струйной печатью на каждом слое для полноцветной печати. При струйной очистке песчаного связующего в качестве строительного материала используется мелкий песок для создания песчаных форм и стержней для литья металлов. При струйной обработке металлических или керамических связующих в качестве строительного материала используется металлический или керамический порошок. После печати сырую деталь спекают, чтобы сжать/сплавить металлические частицы до полной плотности и выжечь связующее. Струйная обработка полимерного связующего применяется при нанесении слоев полимерных порошков, часто с использованием агента, связывающего растворитель, который сваривает частицы.

В некоторых случаях устройство струйной подачи связующего может работать более чем в одном из перечисленных режимов. Его также можно интегрировать с другими технологиями 3D-печати, чтобы обеспечить региональную избирательность в соответствующих процессах, применяемых к сборке. Это известно как гибридная струйная очистка связующего.

Существует также несколько классификаций технологий струйной обработки материалов, различающихся по методу и материалам. Струйная печать полимерного материала является наиболее распространенной и самой ранней формой струйной печати материала, при которой полимерные чернила наносятся в жидкой или гелевой форме. Эти полимеры обычно подвергаются УФ-отверждению на месте для быстрой и законченной печати с ограниченной последующей обработкой. При струйной обработке нескольких материалов используется одновременное осаждение нескольких материалов (обычно двух), таких как жесткие и эластомерные типы, для создания градуированных свойств, градуированных цветов и внезапного изменения материала в деталях. 

Полноцветная струйная обработка — это специализированная категория, которая поставляет полноцветные компоненты с высоким разрешением для производства статуэток, архитектурных моделей и произведений искусства. Гидроструйная обработка керамических или металлических материалов наносит керамические или металлические материалы в полимерную суспензию для создания сложных керамических деталей, которые можно спекать для достижения конечной плотности керамики. Струйная обработка микрофлюидных материалов используется для создания микрофлюидных устройств с точной геометрией каналов для применения в исследованиях, диагностике и устройствах жидкостной логики. Гидроструйная обработка воскового материала применяется в ювелирном деле для изготовления узоров при литье по выплавляемым моделям. Восковые модели наносятся непосредственно на жертвенные мастера для производства металлических деталей.

Разница в используемых материалах

Технология струйной обработки материалов встраивается непосредственно в полимерные модели из жестких, эластомерных и восковых материалов. С другой стороны, при струйной обработке связующего обычно используются полимерные связующие для приклеивания к различным порошковым материалам, от металлов до керамики и песка.

Разница в способах применения

Струйная обработка материала подходит для прототипов функциональной и проектной оценки, которые можно использовать для оценки сборок, проверки производительности механизмов и, при необходимости, замены формованных деталей. Восковые прототипы можно напрямую использовать для изготовления отливок по выплавляемым моделям, напечатанных со всеми частями литника и канала, предварительно прикрепленными и встроенными за один этап.

С другой стороны, струйная обработка связующего обеспечивает визуальные испытания компонентов с относительно низкой точностью и плохими механическими свойствами. Они подходят для визуальной оценки формы и эстетики, а также могут напрямую создавать образцы упаковки и прототипы фотореквизита с критически важным цветом и т. д.

Разница в характеристиках машины

Струйные машины для связующего обрабатывают порошки, уложенные слоями, которые протираются и, в некоторых случаях, упаковываются роликами по высоте. Эти машины выполняют сложную задачу по обработке материалов в этом аспекте процесса, что делает их относительно сложными и может создать проблемы с надежностью, если порошки абразивные, а гигиена машины плохая. Кроме того, струйный компонент машины, подающий связующее вещество, представляет собой относительно простую печатающую головку, которая не требует особой адаптации к задаче и обеспечивает простоту и надежность.

В системе струйной печати материала используется аналогичная по принципу система струйной обработки для доставки полимеров непосредственно на платформу сборки. Эти головки имеют широкие возможности индивидуальной настройки, что создает серьезные проблемы с настройкой и обслуживанием, что приводит к постоянным высоким затратам на эксплуатационные расходы. Струйные машины для связующего надежны и не требуют особого обслуживания. Машины для струйной обработки материалов представляют собой деликатные прецизионные инструменты, которые требуют регулярного и квалифицированного ежедневного, еженедельного и тщательного обслуживания и настройки.

Разница в программном обеспечении САПР

В технологиях струйной обработки материалов и струйной обработки связующего используются стандартные форматы файлов 3D CAD, которые обычно экспортируются как .STL. файлы, которые затем нарезаются с использованием собственного или стороннего программного обеспечения для нарезки для подготовки данных к печати. Для струйной печати материала .STL разрешение должно быть установлено на высокое, а высота слоя должна соответствовать возможностям машины для полного использования ее высокой точности. Особое внимание к тесселяции и деталям поверхности необходимо для сохранения точности сложных деталей во время печати.

Для струйной печати, особенно при полноцветной печати, есть ключевое отличие:.STL Формат файла по своей сути не поддерживает данные цвета. В этих случаях используются дополнительные собственные расширения файлов (такие как .WRL, .3MF или форматы с расширенной цветовой гаммой) или информация о цвете встраивается отдельно и объединяется с геометрией во время нарезки. Этот шаг необходим для назначения точных текстур и цветового сопоставления каждому слою печати.

Разница в стоимости

Машины для струйной обработки связующего обычно стоят от 30 до 200 тысяч долларов, и эта цена увеличивается по мере того, как требуются превосходные возможности и объем сборки. С другой стороны, машины для струйной обработки материалов начинаются примерно с 20 тысяч долларов за машину размером с настольный компьютер с умеренным разрешением и ограниченной скоростью печати. Цены вырастут до 750 тысяч долларов за более совершенные и точные машины, способные печатать несколькими материалами. Они требуют высококвалифицированного персонала по эксплуатации и техническому обслуживанию, а также некоторого ограниченного вспомогательного оборудования.

Разница в качестве

Качество – это термин, который открыт для интерпретации. Различия в качестве между технологиями можно сопоставить в зависимости от функции.

Струйная обработка материалов обеспечивает создание моделей с более высоким разрешением, чем струйная обработка связующим. Если точность и точность являются показателями качества, разница может составлять 3–5 раз в пользу струйной обработки материала. Если требуется печать металлом или песком, струйная обработка материала не подойдет, а струйная обработка связующим является очевидным выбором качества. Если для прототипа необходима полноцветная печать, струйная печать материала не может обеспечить этого, тогда как некоторые типы оборудования для струйной печати связующего могут это сделать. Если для неметаллических деталей необходимы функциональные детали и качество материала, струйная обработка материала обеспечивает значительно более высокое качество, чем струйная обработка связующим.

Разница в точности

Точность можно измерить разными способами. Прежде чем выбирать эти критерии, очень важно учитывать реальные потребности проекта.

Оба процесса обеспечивают хорошую повторяемость, поэтому для обоих типов подходит постоянство нескольких деталей. Струйная обработка связующим обеспечивает более низкое разрешение, чем струйная обработка материала, поэтому тонкость моделей значительно различается. Неточная природа струйной обработки связующего обеспечивает менее точное представление мелких деталей, чем это может быть достигнуто при струйной обработке материала.

Разница в производителе

Благодаря более низким эксплуатационным и капитальным затратам, а также значительно меньшим затратам на установку и текущим накладным расходы, струйная очистка связующего подходит для использования внутри предприятия. Однако существует сильная тенденция к централизации услуг в компаниях, занимающихся контрактной типографией, поскольку лишь немногие компании имеют такой объем потребностей, который оправдывает инвестиции в внутреннюю установку.

Удивительно, но струйная обработка материалов обычно является выбором крупных компаний с достаточным спросом, чтобы оправдать инвестиции и эксплуатационные затраты. Однако лишь немногие компании могут обеспечить окупаемость этих затрат, поэтому существует та же тенденция к централизованным поставщикам услуг, которые могут поддерживать широкий спектр возможностей и привлекать достаточный спрос, чтобы оправдать текущие инвестиции.

Часто задаваемые вопросы о струйной обработке связующего материала и струйной обработке материалов

Быстр ли 3D-принтер для струйной печати?

Нет. Толщина рабочего слоя или разрешение по оси Z у струйных машин со связующим обычно больше, чем у оборудования для струйной печати, что сокращает общее время печати при струйной печати со связующим. Кроме того, послепечатная очистка от струйного переплета минимальна, что увеличивает общую разницу в скорости процесса.

Может ли 3D-принтер Material Jeting печатать металлы?

Нет, струйная обработка материала не предполагает прямой печати металлом.

Требуются ли 3D-принтеру Binder Jetting опоры?

Струйная обработка связующего осуществляется внутри стабильной и целостной порошковой массы машины, поэтому для этого типа печати не требуются отдельные опорные конструкции, что сокращает объем постобработки, необходимой для печати.

Сводка

В этой статье представлена струйная обработка связующим и струйная обработка материала, объяснен каждый из них и обсуждены их ключевые различия. Чтобы узнать больше о струйной очистке связующего и материала, свяжитесь с представителем Xometry.

Xometry предоставляет широкий спектр производственных возможностей, включая 3D-печать и другие дополнительные услуги для всех ваших потребностей в прототипировании и производстве. Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатное ценовое предложение без каких-либо обязательств.

Отказ от ответственности

Содержимое этой веб-страницы предназначено только для информационных целей. Xometry не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности, полноты или достоверности информации. Любые параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны рассматриваться как представляющие то, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, желающие получить расценки на детали, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими положениями и условиями.

Дин МакКлементс

Дин МакКлементс — дипломированный инженер с отличием в области машиностроения с более чем двадцатилетним опытом работы в обрабатывающей промышленности. Его профессиональный путь включает в себя важные должности в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Прочтите другие статьи Дина МакКлементса



Fusion 360 против Onshape:комплексный обзор САПР Понимание пластичного разрушения:причины, стратегии обнаружения и предотвращения