Понимание Binder Jetting 3D-печати: принципы, преимущества и ограничения

Введение в Binder Jetting 3D-печать: базовые принципы технологии. После прочтения вы поймете фундаментальную механику процесса и как она связана с его преимуществами и ограничениями.

Как работает Binder Jetting?

Процесс Binder Jetting:

1. I. Нож рекоутера распределяет тонкий слой порошка по строительной платформе.

2. II. Каретка с инкжет-соплами (как в настольных 2D-принтерах) проходит по слою, селективно нанося капли связующего агента (клея), склеивающие частицы порошка. В полноцветном Binder Jetting цветные чернила также наносятся на этом этапе. Размер капли ~80 мкм — достигается хорошее разрешение.

3. III. Когда слой завершен, платформа опускается вниз, нож рекоутера наносит новый слой. Процесс повторяется до завершения детали.

4. IV. После печати деталь инкапсулирована в порошок и оставляется для отверждения и набора прочности. Затем деталь извлекают из порошковой камеры, несвязанный излишек порошка удаляют прессуризованным воздухом.

В зависимости от материала, обычно требуется пост-обработка. Например, металлические детали Binder Jetting нужно спекать (или иначе термически обработать) или инфильтрировать низкотемпературным металлом (обычно бронзой). Полноцветные прототипы также инфильтрируют акрилатом и покрывают для яркости цветов. Сердечники и формы для литья в песок обычно готовы к использованию сразу после печати.

Это потому, что детали после принтера в «зеленом» состоянии. Детали Binder Jetting в зеленом состоянии имеют плохие механические свойства (очень хрупкие) и высокую пористость.

Схема 3D-принтера Binder Jetting.

Характеристики Binder Jetting 3D-печати

Параметры принтера

В Binder Jetting почти все параметры процесса заданы производителем станка.

Типичная высота слоя зависит от материала: для полноцветных моделей — 100 микрон, для металлов — 50 микрон, для песка литья — 200–400 микрон.

Ключевое преимущество Binder Jetting над другими процессами — склеивание происходит при комнатной температуре. Это значит, что размерные искажения от термических эффектов (варпинг в FDM, SLS, DMLS/SLM или кёрлинг в SLA/DLP) — не проблема для Binder Jetting.

В результате объем печати станков Binder Jetting среди крупнейших по сравнению со всеми 3D-технологиями (до 2200×1200×600 мм). Крупные станки обычно для песочных форм литья. Металлические системы Binder Jetting имеют большие объемы vs DMLS/SLM (до 800×500×400 мм), позволяя параллельное производство множества деталей. Максимальный размер детали ограничен рекомендованной длиной до 50 мм из-за пост-обработки.

Кроме того, Binder Jetting не требует поддержек: окружающий порошок дает всю необходимую поддержку (как SLS). Ключевое отличие металлического Binder Jetting от других металлических процессов, требующих обширных поддержек — возможность создания свободных металлических структур с минимальными геометрическими ограничениями. Геометрические неточности в металлическом Binder Jetting основаны на пост-обработке, обсуждаемой ниже.

Так как детали в Binder Jetting не нужно крепить к платформе, можно использовать весь объем печати. Таким образом, Binder Jetting подходит для малой и средней серийного производства. Чтобы использовать полные возможности, критично учитывать, как эффективно заполнить весь объем камеры (bin packing).

Мелкие металлические детали Binder Jetting с тонкими отверстиями высокой размерной точности. (Digital Metal)

Полноцветный Binder Jetting

Binder Jetting может производить полноцветные 3D-детали похоже на Material Jetting. Часто для фигурок и топографических карт из-за низкой стоимости.

Полноцветные модели печатаются песчаниковым или PMMA-порошком. Основная печатающая головка наносит связующее, вторая — цветные чернила. Чернила разных цветов комбинируются для широкой гаммы, как в 2D инкжет-принтере.

После печати детали покрывают цианакрилатом (суперклей) или иным инфильтратом для повышения прочности и яркости цветов. Можно добавить второй эпоксидный слой для доп. прочности и внешнего вида. Даже с этими шагами полноцветные детали Binder Jetting очень хрупки и не рекомендуются для функциональных применений.

Для полноцветной печати нужна CAD-модель с цветовой информацией. Цвет можно применить двумя способами: по граням или как текстуру. По граням — быстро и легко, текстура — больше контроля и деталей. Обратитесь к документации вашего CAD.

Полноцветная печать в песчанике Binder Jetting.

Сердечники и формы для литья в песок

Производство крупных песочных моделей литья — одно из самых частых применений Binder Jetting. Низкая стоимость и скорость делают его отличным решением для сложных дизайнов моделей, очень трудных или невозможных традиционными методами.

Сердечники и формы печатаются песком или кварцем. После печати формы обычно сразу готовы к литью. Литой металлический компонент удаляется из формы разрушением после литья. Даже разовые формы дают существенную экономию времени и стоимости vs традиционное производство.

Многочастотная песочная сборка для литья блока двигателя. (ExOne)

Металлический Binder Jetting

Металлический Binder Jetting до 10× экономичнее других металлических процессов 3D-печати (DMLS/SLM). Более того, объем печати значительно больше, а детали не требуют поддержек при печати, позволяя создавать сложные геометрии. Это делает металлический Binder Jetting очень привлекательным для малой и средней металлической серийки.

Главный недостаток металлического Binder Jetting — механические свойства, неподходящие для высоконагруженных применений. Тем не менее, свойства материала эквивалентны металлическим деталям Metal Injection Molding — одного из самых распространенных методов массового производства металлических деталей.

Инфильтрация и спекание

Металлические детали Binder Jetting требуют вторичного процесса после печати — инфильтрации или спекивания — для достижения хороших механических свойств, так как напечатанные детали по сути — металлические частицы, склеенные полимерным клеем.

Инфильтрация: после печати деталь помещают в печь, где связующее выгорает, оставляя пустоты. В этот момент деталь ~60% пориста. Бронза инфильтрирует пустоты капиллярно, давая детали с низкой пористостью и хорошей прочностью.

Спека: после печати детали в высокотемпературной печи, где связующее выгорает, а оставшиеся металлические частицы спеканы (связаны) вместе, давая детали с очень низкой пористостью.

Статор для нефтегаза из нержавейки, инфильтрированный бронзой. Типичное качество поверхности для Binder Jetting. (ExOne)

Характеристики металлического Binder Jetting

Точность и допуски сильно варьируют в зависимости от модели и трудно предсказуемы, так как сильно зависят от геометрии. Например, детали длиной 25–75 мм усаживаются 0,8–2% после инфильтрации, крупные — среднее усадка ~3%. При спекании усадка ~20%. Размеры компенсируются софтом станка на усадку, но неравномерная усадка может быть проблемой и должна учитываться на этапе дизайна в сотрудничестве с оператором Binder Jetting.

Пост-обработка также может быть источником неточностей. При спекании деталь нагревается до высокой температуры и размягчается. В этом состоянии неподдерживаемые участки могут деформироваться под собственным весом. Кроме того, при усадке при спекании возникает трение между плитой печи и нижней поверхностью детали, что может привести к варпингу. Опять же — коммуникация с оператором ключева для оптимальных результатов.

Спеканные или инфильтрированные металлические детали Binder Jetting имеют внутреннюю пористость (спекание дает 97% плотность, инфильтрация ~90%). Это влияет на механические свойства — пустоты могут инициировать трещины. Усталость, предельная прочность на разрыв и относительное удлинение при разрыве — свойства, наиболее затронутые внутренней пористостью. Продвинутые металлургические процессы (HIP — горячее изостатическое прессование) могут дать детали с почти нулевой пористостью. Для применений, где критична механическая производительность, рекомендуются DMLS или SLM.

Преимущество металлического Binder Jetting vs DMLS/SLM — шероховатость поверхности произведенных деталей. Типично металлические детали Binder Jetting имеют Ra 6 мкм после пост-обработки, снижаемую до Ra 3 мкм при пескоструйке. В сравнении, as-printed шероховатость DMLS/SLM ~Ra 12–16 мкм. Особенно полезно для деталей с внутренними геометриями, например внутренние каналы, где пост-обработка затруднена.

Таблица ниже суммирует различия в главных механических свойствах нержавеющей стали, напечатанной Binder Jetting и DMLS/SLM:

	Binder Jetting SS 316 (спеканная)	Binder Jetting SS 316 (бронза инфильтрация)	DMLS/SLM SS 316L
Предельная прочность (Yield Strength)	214 МПа	283 МПа	470 МПа
Относительное удлинение при разрыве	34%	14,5%	40%
Модуль упругости	165 ГПа	135 ГПа	180 ГПа