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3D-Basics Wird Binder-Jetting das Verfahren für die additive Fertigung?

Von Carolyn Schwaar

Immer mehr Unternehmen setzen auf die Binder-Jet-Technologie, um schnell und kostengünstig komplexe Formen aus Metall, Sand und Kunststoff herzustellen. Welche Vorteile Binder Jetting gegenüber anderen AM-Verfahren hat und welche Herausforderungen bestehen.

Das Binder Jetting für Metallteile wird für immer mehr Unternehmen relevant. Mit dem Verfahren können Bauteile oft mit weniger Material hergestellt werden.
Das Binder Jetting für Metallteile wird für immer mehr Unternehmen relevant. Mit dem Verfahren können Bauteile oft mit weniger Material hergestellt werden.
(Bild: Exone)

Vergleicht man die Merkmale industrieller 3D-Drucktechnologien (Filament-, Harz- und Pulverbett-Verfahren), so sticht eine als ideal für die Massenproduktion komplexer Teile hervor: das Binder-Jetting. Die Materialien sind relativ erschwinglich, die Maschinen haben in der Regel ein größeres Druckvolumen und drucken mit hoher Geschwindigkeit sowie Genauigkeit. Zudem können per Binder-Jetting komplexe Formen hergestellt werden.

Von Autoteilen bei Volkswagen bis hin zu Holzstrukturen wenden sich Hersteller aus einer Vielzahl von Gründen, auf die wir weiter unten eingehen werden, dem Binder Jetting gegenüber traditionellen Metall- und Kunststoffherstellungsverfahren und anderen 3D-Druckverfahren zu. Falls Sie mit Binder Jetting noch nicht vertraut sind, hier eine kurze Zusammenfassung:

Binder Jetting ist eine Methode des 3D-Drucks, bei der ein flüssiges Bindemittel verwendet wird, um pulverförmige Materialien in Schichten zu binden und so feste, komplexe Formen zu schaffen. Im Laufe des Druckvorgangs werden die einzelnen Schichten miteinander verbunden, so dass ein Kasten mit Pulver entsteht, in dem sich die gewünschte Teilegeometrie befindet. Bei Kunststoffteilen endet der Prozess oft an dieser Stelle, aber bei Metallteilen gibt es wichtige Nachbearbeitungsschritte.

Das Mischen von Flüssigkeit und Pulver mag unordentlich klingen, aber die moderne 3D-Druckertechnologie ist in der Lage, Millionen von nanogrammgroßen Tropfen des Bindemittels pro Sekunde präzise auf ein feines Pulverbett aufzutragen, um eine etwa 0,01 mm dicke Querschnittsschicht eines Teils zu definieren.

Eine Erklärung des Bindes Jettings vom Druckerhersteller Exone:

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Warum Binder Jetting?

Binder Jetting hat mehrere Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Metall-Spritzguss und gegenüber anderen 3D-Druckverfahren. Die Technologie glänzt vor allem in puncto Geschwindigkeit und Auflösung, da Druckköpfe in der Regel schneller arbeiten als Laser oder Elektronenstrahlen.

Nach neuen Forschungsergebnissen von Amir Mostafaei, Assistenzprofessor an der Abteilung für Werkstoffe, Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik am Illinois Institute of Technology, ist das Binder-Jetting in der Lage, andere Fertigungsbereiche, insbesondere den Metallspritzguss, zu dominieren, da sie dieselben Materialien und Verfahren sowie Größen- und Geometriedetails wie die Wandstärke aufweisen.

Die Vorteile von Binder Jetting:

  • Werkstoffe: Da pulverförmige Metalle und Keramiken in vielen anderen traditionellen Herstellungsverfahren bis zur vollen Dichte gesintert werden, sagen Befürworter des Binder Jettings, dass es das Potenzial hat, das Pulverbettschmelzen bei den Anwendungen zu übertreffen und die größte Auswahl an Materialien aller AM-Verfahren zu bieten. Theoretisch kann Binder Jetting mit jedem pulverförmigen Material und einer ergänzenden Bindemittelflüssigkeit umgesetzt werden. Zu den ungewöhnlichsten Materialien gehören derzeit Holzpulver und Zucker.
  • Verfahren: Die meisten Binder-Jet-Druckverfahren arbeiten bei Raumtemperatur und -atmosphäre, so dass Probleme im Zusammenhang mit Oxidation, Eigenspannung, Elemententmischung und Phasenveränderungen vermieden werden und das Pulver um die Teile im Bauraum in hohem Maße recycelbar ist, was Materialkosten spart.
  • Größe: Durch den Verzicht auf teure abgedichtete Kammern für Vakuum oder Inertisierung gehört das Bauvolumen von 3D-Druckern mit Binder-Jetting zu den größten aller 3D-Drucktechnologien, wobei die hohe Auflösung des Tintenstrahldrucks erhalten bleibt.
  • Kapazität: Es werden Chargen verschiedener Teile auf einmal gedruckt. Diese hohe Produktionskapazität macht sie ideal für Unternehmen, die viele komplexe Teile drucken möchten.
  • Keine Stützstrukturen: Die Notwendigkeit von Stützstrukturen entfällt oder wird bei jeder Teilegeometrie, die mit dem Binder-Jetting-Verfahren hergestellt wird, erheblich reduziert, da das Pulverbett genügend Unterstützung bietet. Dies bedeutet größere Designfreiheit (insbesondere bei der Erstellung interner Kanäle), weniger Materialabfall und weniger Zeit und Arbeit für das Entfernen von Stützstrukturen sowie mehr Platz für die Verschachtelung vieler Teile in einem Bauvolumen. Einige Formen können jedoch von Stützen im Sinterprozess profitieren.
  • Geschwindigkeit: Binder Jetting ist schnell und hat hohe Produktionsraten, sodass große Mengen an Teilen kostengünstiger als bei anderen AM-Verfahren hergestellt werden können.
  • Vielseitigkeit: Mit dem Binder-Jetting-Verfahren lassen sich je nach Sintertemperatur und -zeit verschiedene Dichten mit kontrollierter Porosität herstellen, was zu einer breiten Palette von Anwendungen führt.

Die Nachteile von Binder Jetting:

  • Mehrstufigkeit: Binder Jetting ist ein mehrstufiger Prozess, der Nachbearbeitungsschritte (Aushärtung und Verdichtung) erfordert, die in einigen Fällen zusätzliche Ausrüstung erfordern.
  • Verformungsrisiken: Der Prozess der Verdichtung der mit dem Binder-Jet-Verfahren hergestellten Teile kann zu einem Verzug der Geometrie führen. Dies sollte sich jedoch durch entsprechende Softwareberechnungen im Vorfeld vermeiden lassen.
  • Manuelles Entpulvern: Die manuelle Entnahme der Teile aus dem Metallpulverbett ist bei den meisten Metallteilen erforderlich, da sie im grünen Zustand empfindlich sind. Je nach Teilegeometrie ist eine gewisse Automatisierung des Auspumpens möglich.

Binder Jetting ist attraktiv für die Metallverarbeitung

Binder Jetting ist eine sehr attraktive Technologie für die Herstellung von Metallteilen, und zwar aus den oben genannten Vorteilen sowie aus einem sehr wichtigen, speziell auf Metall bezogenen Grund: Leichtbau.

Da beim Binder Jetting Teile mit komplexen Musterfüllungen gedruckt werden können, anstatt massiv zu sein, sind die resultierenden Teile bei gleicher Festigkeit deutlich leichter. Die Porosität des Binder Jettings kann auch genutzt werden, um leichtere Endbauteile für medizinische Anwendungen, wie beispielsweise Implantate, herzustellen.

Wie bei anderen additiven Fertigungsverfahren lassen sich auch beim Binder Jetting komplexe Bauteile mit internen Kanälen und Strukturen herstellen, wodurch Schweißarbeiten überflüssig werden und die Anzahl der Teile und das Gewicht der Komponenten reduziert werden. Wenn Sie Ihre Metallteile für das Binder-Jetting-Verfahren umgestalten, kann dies zu einer drastischen Reduzierung des Materialverbrauchs und -abfalls führen.

Insgesamt sind die Materialeigenschaften von Binder-Jet-Teilen aus Metall gleichwertig mit denen von Metallteilen, die im Metall-Spritzgussverfahren hergestellt werden, einem der am weitesten verbreiteten Fertigungsverfahren für die Massenproduktion von Metallteilen. Außerdem weisen Binder-Jet-Teile eine höhere Oberflächenglätte auf, insbesondere in den inneren Kanälen.

Es ist ein zwei- bis dreistufiger Prozess

Metallteile aus dem Binder-Jetting-Verfahren müssen nach dem Druck noch nachbearbeitet werden, um ihre guten mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Direkt nach dem Druck bestehen die Teile im Wesentlichen aus Metallpartikeln, die mit einem Polymerkleber verbunden sind.

Nach dem Druck, der Aushärtung und der Entnahme der Teile aus dem Metallpulverbett besteht eine Möglichkeit darin, die Teile in einen Ofen zu legen, wo das Bindemittel ausgebrannt wird und die verbleibenden Metallpartikel zusammengesintert (verklebt) werden. Je nach Temperatur des Ofens und der Dauer des Sinterns können die Teile zu 99 Prozent dicht oder zu 60 Prozent porös sein.

Wenn Ihre Anwendung eine hohe Dichte erfordert, kann Bronze oder ein anderes Metall verwendet werden, um die Hohlräume zu infiltrieren, was zu Teilen mit geringer Porosität und guter Festigkeit führt. Hochporöse Teile können für Leichtbauanwendungen oder medizinische Implantate erwünscht sein, bei denen die Porosität nachweislich das Knochenwachstum fördert.

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Typische Metalle und Metalllegierungen für das Binder Jetting:

  • Martensitaushärtender Stahl
  • Rostfreie Stähle
  • Werkzeugstähle
  • Niedrig legierte Stähle (4140, 4340)
  • Nickel
  • Kobalt
  • Titan
  • Aluminium
  • Kupfer
  • Bronze

Dieser Text ist eine Übersetzung des Beitrags "Betting on Binder Jetting for Production Additive Manufacturing" von All3DP und wurde lizenziert nach Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).

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