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

В этом введении в 3D-печать Binder Jetting мы рассмотрим основные принципы этой технологии. Прочитав эту статью, вы поймете фундаментальную механику процесса Binder Jetting и то, как они связаны с ее преимуществами и ограничениями.

Как работает Binder Jetting?

Вот как работает процесс Binder Jetting:

I. Сначала лезвие для нанесения покрытия наносит тонкий слой порошка на рабочую платформу.

II. Затем над станиной проходит каретка со струйными соплами (похожими на сопла, используемые в настольных 2D-принтерах), избирательно нанося капли связующего вещества (клея), которые связывают частицы порошка между собой. При полноцветном Binder Jetting на этом этапе также наносятся цветные чернила. Размер каждой капли составляет примерно 80 мкм в диаметре, что позволяет добиться хорошего разрешения.

III. Когда слой будет завершен, рабочая платформа опустится вниз, и лезвие повторно покроет поверхность. Затем процесс повторяется до тех пор, пока вся часть не будет завершена.

IV. После печати деталь инкапсулируется в порошок и оставляется для отверждения и набора прочности. Затем деталь извлекается из бункера для порошка, а несвязавшийся лишний порошок очищается воздухом под давлением.

В зависимости от материала обычно требуется этап постобработки. Например, металлические детали Binder Jetting необходимо спекать. (или подвергнутой иной термообработке) или пропитанная с легкоплавким металлом (обычно бронзой). Полноцветные прототипы также пропитаны акрилом и покрыты лаком для улучшения яркости цветов. Стержни и формы для литья в песчаные формы обычно готовы к использованию после 3D-печати.

Это связано с тем, что детали находятся в «зеленом» состоянии, когда выходят из принтера. Детали Binder Jetting в зеленом состоянии имеют плохие механические свойства (они очень хрупкие) и высокую пористость.

Схема 3D-принтера Binder Jetting

Каковы характеристики 3D-печати Binder Jetting?

Параметры принтера

В Binder Jetting почти все параметры процесса задаются производителем машины.

Типичная высота слоя зависит от материала:для полноцветных моделей стандартная высота слоя составляет 100 микрон, для металлических деталей - 50 микрон, для материалов песчаных форм - 200-400 микрон.

Ключевое преимущество Binder Jetting перед другими процессами 3D-печати заключается в том, что склеивание происходит при комнатной температуре. . Это означает, что искажения размеров, связанные с термическими эффектами (такими как деформация в FDM, SLS, DMSL/SLM или скручивание в SLA/DLP), не являются проблемой при Binder Jetting.

В результате объем сборки машин Binder Jetting являются одними из самых больших по сравнению со всеми технологиями 3D-печати (до 2200 x 1200 x 600 мм). Эти большие машины обычно используются для изготовления форм для литья в песчаные формы. Системы Metal Binder Jetting обычно имеют больший объем сборки, чем системы DMSL/SLM (до 800 x 500 x 400 мм), что позволяет параллельно производить несколько деталей одновременно. Однако максимальный размер детали ограничен рекомендуемой длиной до 50 мм из-за этапа постобработки.

Более того, Binder Jetting не требует никаких опорных конструкций. :окружающий порошок обеспечивает детали всю необходимую поддержку (аналогично SLS). В этом ключевое отличие Metal Binder Jetting от других процессов 3D-печати металлом, которые обычно требуют широкого использования опорных конструкций и позволяют создавать металлические конструкции произвольной формы с очень небольшими геометрическими ограничениями. Геометрические неточности при струйной обработке металла Binder Jetting возникают в основном на этапах последующей обработки, как обсуждается в следующем разделе.

Поскольку детали в Binder Jetting не нужно прикреплять к сборочной платформе, можно использовать весь объем сборки. Таким образом, Binder Jetting подходит для малого и среднего серийного производства. . Чтобы воспользоваться всеми возможностями Binder Jetting, очень важно подумать о том, как эффективно заполнить весь объем сборки машины (упаковка в контейнер).

Небольшое металлическое связующее струйное с мелкими отверстиями высокой точности размеров.

Изображение предоставлено Digital Metal

Полноцветная струйная переплетная связка

Binder Jetting может производить полноцветные 3D-печатные детали аналогично Material Jetting. Из-за низкой стоимости его часто используют для 3D-печати фигурок и топографических карт.

Полноцветные модели печатаются с использованием порошка песчаника или порошка ПММА. Основная печатающая головка сначала подает связующее вещество, а вторичная печатающая головка — цветные чернила. Чернила разных цветов можно комбинировать для получения очень большого спектра цветов, аналогично струйному 2D-принтеру.

После печати детали покрывают цианоакрилатом (суперклеем) или другим пропитывающим веществом для повышения прочности детали и усиления яркости цветов. Затем можно добавить вторичный эпоксидный слой для дальнейшего улучшения прочности и внешнего вида цвета. Даже после этих дополнительных действий полноцветные детали Binder Jetting очень хрупкие, и их не рекомендуется использовать в функциональных целях.

Для создания полноцветных отпечатков необходимо предоставить модель САПР, содержащую информацию о цвете. Цвет можно применять к моделям САПР двумя способами:по лицу или в виде карты текстуры. Применение цвета для каждого лица выполняется быстро и легко, но использование карты текстур позволяет получить больше элементов управления и большую детализацию. Подробные инструкции можно найти в исходном программном обеспечении САПР.

Полноцветная печать, напечатанная на песчанике с помощью Binder Jetting.

Стержни и формы для литья в песчаные формы

Производство крупных моделей для литья в песок является одним из наиболее распространенных применений Binder Jetting. Низкая стоимость и скорость процесса делают его отличным решением для сложных дизайнов выкроек, которые было бы очень сложно или невозможно создать с использованием традиционных методов.

Стержни и формы обычно печатаются песком или кремнеземом. После печати формы, как правило, сразу же готовы к отливке. Отлитую металлическую деталь обычно удаляют из них после отливки путем разрушения формы. Несмотря на то, что эти формы используются только один раз, экономия времени и средств по сравнению с традиционным производством значительна.

Многодетальный узел литья в песчаные формы, используемый для отливки блока цилиндров.

Изображение предоставлено ExOne

Стройная обработка металла связующим

Технология Metal Binder Jetting до 10 раз экономичнее чем другие процессы 3D-печати металлом (DMSL/SLM). Более того, размер сборки Binder Jetting значительно велик, и производимые детали не требуют никаких опорных конструкций. во время печати, что позволяет создавать сложные геометрические формы. Это делает Metal Binder Jetting очень привлекательной технологией для производства металла с низким и средним содержанием. .

Основным недостатком металлических деталей Binder Jetting являются их механические свойства, которые не подходят для высокотехнологичных применений. Тем не менее, свойства материала производимых деталей эквивалентны металлическим деталям, изготовленным методом литья под давлением металла, который является одним из наиболее широко используемых методов производства для массового производства металлических деталей.

Инфильтрация и спекание

Детали Metal Binder Jetting требуют вторичной обработки после печати, например инфильтрации. или спекание , чтобы добиться хороших механических свойств, поскольку напечатанные детали в основном состоят из металлических частиц, связанных между собой полимерным клеем.

Проникновение: После печати деталь помещается в печь, где связующее выгорает, оставляя пустоты. На данный момент деталь имеет пористость примерно на 60%. Затем бронза используется для проникновения в пустоты посредством капиллярного действия, в результате чего получаются детали с низкой пористостью и хорошей прочностью.

Спекание: После завершения печати детали помещаются в высокотемпературную печь, где связующее выгорает, а оставшиеся частицы металла спекаются (склеиваются) вместе, в результате чего получаются детали с очень низкой пористостью.

Статор для нефти и газа, напечатанный из нержавеющей стали и инфильтрированный бронзой. Обратите внимание на качество поверхности, типичное для деталей, обработанных методом Binder Jette.

Изображение предоставлено ExOne

Характеристики струйной обработки металла связующим

Точность и допуск могут сильно различаться в зависимости от модели, и их трудно предсказать, поскольку они сильно зависят от геометрии. Например, детали длиной до 25–75 мм после пропитки дают усадку от 0,8 до 2%, тогда как более крупные детали имеют расчетную среднюю усадку 3%. При спекании усадка детали составляет примерно 20%. Размеры деталей компенсированы усадкой. программным обеспечением машины, но неравномерная усадка может стать проблемой, и ее необходимо учитывать на этапе проектирования совместно с оператором машины Binder Jetting.

Этап постобработки также может быть источником неточностей. Например, при спекании деталь нагревается до высокой температуры и становится мягче. В этом более мягком состоянии неподдерживаемые области могут деформироваться под собственным весом. Более того, поскольку деталь усаживается при спекании, здесь возникает трение между плитой печи и нижней поверхностью детали, что может привести к короблению. . Опять же, общение с оператором машины Binder Jetting является ключевым моментом для обеспечения оптимальных результатов.

Металлические детали, спеченные или пропитанные Binder Jetting, будут иметь внутреннюю пористость. (в результате спекания плотность деталей составляет 97 %, а при пропитке — около 90 %). Это влияет на механические свойства металлических деталей Binder Jetting, поскольку пустоты могут привести к возникновению трещин. Усталость, прочность на излом и удлинение при разрыве — это свойства материала, на которые больше всего влияет внутренняя пористость. Передовые металлургические процессы (такие как горячее изостатическое прессование или HIP) могут применяться для производства деталей практически без внутренней пористости. Однако для приложений, где механические характеристики имеют решающее значение, рекомендуемыми решениями являются DMLS или SLM.

Преимуществом Metal Binder Jetting по сравнению с DMLS/SLM является шероховатость поверхности. из производимых деталей. Обычно металлические детали, обработанные методом Binder Jette, после постобработки имеют шероховатость поверхности Ra 6 мкм, которую можно уменьшить до Ra 3 мкм, если применить дробеструйную обработку. Для сравнения, шероховатость поверхности деталей DMLS/SLM при печати составляет примерно Ra 12–16 мкм. Это особенно полезно для деталей с внутренней геометрией. , например внутренние каналы, где постобработка затруднена.

В таблице ниже приведены различия в основных механических свойствах деталей из нержавеющей стали, напечатанных с помощью Binder Jetting и DMLS/SLM:

Нержавеющая сталь 316 для струйной обработки связующего (спеченная) Нержавеющая сталь 316 для струйной обработки связующего (пропитка бронзой) DMLS/SLM Нержавеющая сталь 316L Предел текучести 214 МПа 283 МПа 470 МПа Удлинение при разрыве 34% 14,5% 40% Модуль упругости 165 ГПа 135 ГПа 180 ГПа