Binder Jetting: Wir erklären Ihnen das 3D-Druckverfahren
Es gibt derzeit viele verschiedene Technologien für die additive Fertigung auf dem Markt, die jeweils mit unterschiedlichen Materialien und spezifischen Anwendungen verbunden sind. In diesem Leitfaden sprechen wir über die Technologie des Binder Jetting, die mit verschiedenen Materialien von Keramik über Metall bis hin zu Kunststoffpolymeren kompatibel ist. Wie funktioniert der 3D-Druck mit Binder Jetting? Aus welchen Materialien können Sie dabei Teile herstellen? Wer sind die wichtigsten Maschinenhersteller? Was sind die neuesten Innovationen und Trends in diesem Bereich? Hier erfahren Sie alles!
Geschichte und Entwicklung des Binder Jetting
Die Technologie wurde 1993 am MIT erfunden, zunächst für die Arbeit mit Keramik. Die Rechte wurden zwei Jahre später schnell von der Z Corporation übernommen, die 2012 von 3D Systems aufgekauft wurde. Das Metall Binder Jetting wurde 1996 von der amerikanischen Firma ExOne entwickelt. Seitdem hat diese Technologie viele Fortschritte gemacht und die Aufmerksamkeit großer Akteure wie HP und Desktop Metal auf sich gezogen, die ihre eigenen Pulverbindungslösungen mit verbesserter Leistung und Kapazität auf den Markt gebracht haben.
Ein mit Hilfe der Binder Jetting Technologie 3D-gedrucktes Teil (Bild: Sculpteo)
Wie funktioniert der 3D-Druck mit Binder Jetting?
Wie bei allen Drucktechniken muss das gewünschte Objekt vor der Herstellung mithilfe einer CAD-Software modelliert und dann in die Software des Druckers, auch Slicer genannt, exportiert werden, welcher die Anweisungen an den 3D-Drucker sendet. Der Druckvorgang beginnt mit dem Absenken der Platte, auf die mithilfe einer Kehrwalze eine erste Pulverschicht gestreut wird. Ein Bindemittel in Form von 80µm großen Tröpfchen wird mit einem Druckkopf, der dem von 2D-Druckern ähnelt, aufgesprüht. Die Platte senkt sich weiter ab, eine neue Pulverschicht wird ausgebreitet und wiederum gebunden. So nimmt das Objekt Schicht für Schicht Gestalt an.
Funktionsweise des 3D-Drucks mit Binder Jetting (Bild: Additively)
Dank der Präzision des Binder Jetting ist es möglich, farbige Modelle zu erstellen, wobei Bindemittel in verschiedenen Farben verwendet werden, ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker.
Nach dem Drucken muss das Werkstück vom überschüssigen Pulver befreit werden (Bild: 3D Hubs)
Hauptvorteile des Binder Jetting
Der 3D-Druck mit Binder Jetting unterscheidet sich von anderen Technologien der additiven Fertigung im Pulverbett durch seine breite Materialkompatibilität, da eine Vielzahl von Materialien (Polymere, Keramiken, Metalle, Sand, …) gedruckt werden können.
Materialien, die mit dem 3D-Druck durch Pulverbindung kompatibel sind
Diese Technologie ist mit einer breiten Palette von Materialien kompatibel, darunter Keramiken, plastische Polymere und sogar Metalle wie Edelstahl, Titan, Inconel, Kupfer und andere. Auch auf Seiten der thermoplastischen Polymere und Polyamide ist eine zunehmende Entwicklung zu beobachten. Einige Materialien erfordern die Verwendung eines speziellen Bindemittels, wie etwa Sand, bei dem ein chemisches Bindemittel zur Herstellung von Gussformen oder -kernen verwendet wird.
Die kompatiblen Materialien sind recht breit gefächert (Bild: ExOne)
Nachbearbeitung
Nach dem Drucken sind die durch Pulverbindung hergestellten Teile in einem Pulverklumpen, dem sogenannten „Cake“, eingekapselt und müssen gereinigt oder abgepudert werden. Im Anschluss an diesen Prozess folgt in der Regel ein Nachbehandlungsschritt, um die Struktur der Drucke zu verstärken und ihre Porosität zu verringern. Die beiden wichtigsten Nachbehandlungsverfahren sind das Sintern und das Infiltrieren.
Beim Sintern wird das Objekt auf eine hohe Temperatur erhitzt, sodass die Pulverpartikel schmelzen und sich zusammenballen können. Das Sintern wird in der Regel für Metallteile verwendet, da sich daraus dichte und widerstandsfähige Teile ergeben.
Beim Infiltrieren wird eine Flüssigkeit in das Werkstück injiziert, wodurch sich die Poren füllen und die Struktur verstärkt wird. Die Infiltration wird in der Regel bei Keramik- oder Kunststoffteilen eingesetzt, da man mit dieser Methode stärkere Teile mit höherer Dichte erhält.
Die Wahl des Nachbehandlungsverfahrens hängt vom verwendeten Material und den gewünschten Eigenschaften des zu erhaltenden Werkstücks ab.
Der Markt für 3D-Druck mit Pulverbindung: Hersteller und Anwendungen
Der 3D-Druck mit Binder Jetting ermöglicht die Herstellung von Metallteilen oder Farbprototypen zu geringeren Kosten im Vergleich zu anderen Verfahren wie DMLS oder Material Jetting. Allerdings kann die Porosität der Teile höher sein, was die mechanischen Eigenschaften des Bauteils beeinflusst. Aufgrund des hohen Druckvolumens der meisten Maschinen wird diese Technologie für die Entwicklung von Serienteilen geschätzt.
Derzeit ist der größte Hersteller von 3D-Druckern, die dieses Verfahren mit keramischen Materialien verwenden, 3D Systems, der den Begriff ColorJet Printing verwendet. Weitere Akteure sind die deutsche Voxeljet AG, die niederländische CONCR3DE für Thermoplaste und das taiwanesische Unternehmen ComeTrue für Desktop-3D-Drucker mit Pulverbindung. Bei metallkompatiblen Geräten ist ExOne (ein von Desktop Metal aufgekauftes Unternehmen) führend, gefolgt von Höganäs aus Schweden.
HP und Desktop Metal sind 2018 ebenfalls in den Binder-Jetting-Markt eingestiegen. Ihre Technologien bieten wachsende Möglichkeiten im Bereich der additiven Metallfertigung und sie erforschen weiterhin neue Möglichkeiten im Bereich des 3D-Drucks, indem sie mit Industriepartnern wie Volkswagen, GKN, Parmatech, Ford, BMW, Google und Adidas zusammenarbeiten.
Ein mit der ColorJet-Drucktechnologie bedrucktes Teil (Bild: 3D Systems)
Der 3D-Druck mit Pulverbindung hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie, im Gesundheitswesen, in der Luxusgüterindustrie, in Gießereien, in der Architektur und in der Kunst. Sie ermöglicht die Herstellung komplexer, individueller, leichter und widerstandsfähiger Teile mit großer Gestaltungsfreiheit. Sie bietet auch Vorteile für die Umwelt. Anwendungsbeispiele sind die Herstellung von Zahnprothesen oder Knochenimplantaten, die Kreation von Schmuck oder Uhren, die Produktion von Automobil- oder Flugzeugteilen, die Herstellung von Gussformen oder Kernen für Gießereien oder die Gestaltung von Skulpturen oder Modellen.
Unsere Sammlung zu den verschiedenen Technologien des 3D-Drucks finden Sie HIER.
*Titelbildnachweis : ExOne
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