Alles was Sie wissen müssen über Metal Binder Jetting

Mit Binder Jetting hergestellte 3D Bauteile

Das Metal Binder Jetting erlebt eine Renaissance. In den letzten zehn Jahren haben viele neue Unternehmen einen den Markt des Binder Jetting betreten, von denen jedes seine eigene Herangehensweise an diese Technologie hat. Diese Aktivitäten werden zum Teil durch die vielen lukrativen Anwendungsfelder vorangetrieben, die diese Technologie bietet. Zum einen kann die hohe Geschwindigkeit und Präzision des Metallbindemittel-Sprühprozesses dazu beitragen, dass es sich zu einem neuen Verfahren für die Massenproduktion entwickelt.

Doch welche Entwicklungen treiben den Erfolg dieser Technologie voran ?

Heute werden wir uns ansehen, wie sich das Metal Binder Jetting entwickelt hat und warum es als neue Fertigungstechnologie auf den Markt kommt.


Die Ursprünge des Metal Binder Jetting

Die Ursprünge dieser AM-Technologie gehen auf das Jahr 1993 zurück, als das Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein Inkjet-basiertes Verfahren zur Erzeugung dreidimensionaler Objekte aus Metallpulvern entwickelte. Interessanterweise wurde der Begriff „3D-Druck“ ursprünglich vom MIT in Bezug auf die Metallbindemittel-Strahltechnologie geprägt.

Das produzierende Unternehmen Extrude Hone Corporation erhielt 1996 eine exklusive Lizenz für die MIT-Technologie. Seitdem hat das Unternehmen Metal Binder Jetting-Systeme entwickelt und vermarktet. Der erste 3D-Drucker, ProMetal RTS-300, wurde 1999 an Motorola ausgeliefert. ExOne, das 2005 aus der Extrude Hone Corporation ausgegliedert wurde, war bis Anfang der 2010er Jahre das einzige Unternehmen, das Dienstleistungen und Systeme für das Metal Binder Jetting  anbot. Zu dieser Zeit begannen die frühen MIT-Patente für die Technologie abzulaufen, wodurch neue Unternehmen auf den Markt kamen. Seitdem wurde die Technologie mit der Vision wiederbelebt, diese Technologie wirklich für die Produktion in allen Branchen zu nutzen.

Wie funktioniert das Spritzen von Metallbindern?

Beim Metal Binder Jetting wird ein flüssiges Bindemittel selektiv aufgetragen, um Pulverteilchen Schicht für Schicht zu verbinden. Der Prozess beginnt mit dem Verteilen einer dünnen Pulverschicht, wobei Druckköpfe gezielt gesetuert  Bindertröpfchen in das Pulverbett einbringen. Die Druckplatte senkt sich und eine weitere Pulverschicht wird aufgetragen.  Der Vorgang wird solange wiederholt, bis das Teil vollständig ist. Nicht verwendetes Pulver (ca. 95%) wird recycelt und kann wiederverwendet werden. Beim Sprühen mit Metallbindemitteln bleiben die soeben gedruckten Teile in einem zerbrechlichen grünen Zustand und müssen anschließend nachbearbeitet werden, z. B. gesintert und infiltriert werden, um das Teil zu stärken. Neben Metallen kann der Binder-Strahl auch mit einer Reihe anderer Materialien wie Sand und Keramik verwendet werden.

Nachbearbeitungsschritte für das Ausstoßen von Metallbindern

Die herkömmliche Binder-Strahltechnologie verwendet einen Druckkopf, um ein flüssiges Bindemittel auf Pulverschichten aufzutragen. Bei der additven Fertigung von Metallen mit der Binder Jetting-Technologie erfordern die Teile jedoch verschiedene Nachbearbeitungsschritte, da sie zunächst im grünen Zustand hergestellt werden. Dies bedeutet, dass sie geringe mechanische Eigenschaften aufweisen und sehr oft schwach und spröde sind. Die Nachbearbeitungsphase zielt auf die Verstärkung der Teile ab und umfasst das Aushärten, Sintern, Infiltrieren und andere Endbearbeitungsprozesse.

1. Aushärten

Das Aushärten erhöht die Festigkeit der Grünlinge, so dass sie sicher vom Druckbett entfernt werden können. Während des Prozesses werden die Teile in einem Ofen bei ungefähr 200° C für einen Zeitraum von mehreren Stunden ausgehärtet, was zu weitaus höheren mechanischen Eigenschaften führt.

2. Sintern

Trotz der Aushärtung bleiben die Metallteile hochporös. Die Porosität der Teile wird durch Sinter- oder Infiltrationsprozesse erheblich verringert. Typischerweise findet der Sinterprozess in einem Ofen mit kontrollierter Atmosphäre statt, in dem das Teil 24 bis 36 Stunden lang bei etwa 100 ° C wärmebehandelt und das Bindemittel weggebrannt wird. Dies hilft, die Metallpartikel zusammenzuschmelzen und führt zu einem starken Metallbauteil mit einer geringen Porosität. Das Sintern kann jedoch zu einer inhomogenen Schrumpfung des Teils führen und ist schwer vorhersehbar - dies muss daher in der Entwurfsphase berücksichtigt werden.

3. Infiltration

Um eine hohe Dichte zu erreichen, muss das Teil infiltriert werden, um die durch das Abbrennen des Bindemittels entstandenen Hohlräume zu füllen. Dies geschieht normalerweise durch Aufbringen von geschmolzener Bronze, um die verbleibenden Hohlräume im Teil zu infiltrieren. Durch diese Nachbearbeitungsschritte werden die mechanischen Eigenschaften des Metallteils erheblich verbessert. Beispielsweise kann durch Bronzeinfiltration von rostfreiem Stahl eine Enddichte von 95% erreicht werden.

4. Fertigstellung

Schließlich kann das Teil optional poliert und mit Gold oder Nickel plattiert werden um ästhetisch ansprechende Oberflächen zu erzielen.

Welche Gründe sprechen für das Metal Binder Jetting als Produktionstechnologie ?

Metal Binder Jetting bietet eine Reihe einzigartiger Vorteile, die die Anwendung für Produktionsanwendungen erleichtern. 

Erstens schmilzt das Sprühen des Bindemittels das Metallpulver während des Druckvorgangs nicht, wodurch Probleme im Zusammenhang mit dem Aufbau von Restspannungen vermieden werden.
 
Zweitens sind keine Stützstrukturen für den Metallbindemittelstrahlprozess erforderlich, da gedruckte Teile von losem, nicht verwendetem Pulver umgeben sind. Beide Vorteile tragen dazu bei, die Nachbearbeitung auf ein Minimum zu beschränken.
 
Darüber hinaus sind Binder Jetting-Maschinen kostengünstiger als 3D-Drucker, die auf SLM- oder DED-Prozessen basieren. Ein Grund dafür ist, dass sie keine teuren Laser oder Elektronenstrahlen verwenden.
 
Neuere Maschinen können auch Metallspritzgusspulver (Metal Injection Molding, MIM) verwenden. Diese sind deutlich günstiger als speziell für den 3D-Druck entwickelte Metallpulver, die typischerweise in kleinen Stückzahlen mit teuren Produktionsmethoden wie Gaszerstäubung hergestellt werden.  Die Umstellung auf MIM-Pulver ermöglicht es den Herstellern daher, die Betriebskosten für diese Technologie weiter zu senken.  Beim Binder Jetting werden nicht nur billigere Ausgangsmaterialien verwendet, sondern es können auch sehr genaue Teile mit mechanischen Eigenschaften bedruckt werden, die mit denen herkömmlich hergestellter Metallbauteile vergleichbar sind. Schließlich ist die Baugeschwindigkeit des Metal Binder Jettings typischerweise höher als die anderer Metall-3D-Druckprozesse. Alle diese Vorteile zusammen ergeben eine sehr skalierbare und produktionsfähige Technologie.

Die neuesten Entwicklungen beim Spritzen von Metallbindern

Die 2010er Jahre markieren eine neue Ära für das Spritzen von Metallbindern. Vom Start-up bis zum etablierten Player versuchen eine Reihe von Unternehmen aktiv, die Grenzen dessen zu erweitern was derzeit mit dieser AM-Technologie möglich ist.

ExOne setzt seine Innovationen fort

ExOne ist einer der ältesten Payer auf diesem Gebiet. Im Laufe seiner Geschichte hat ExOne vier Metal-Binder-Systeme auf den Markt gebracht, von denen jedes eine Weiterentwicklung des vorherigen darstellt. Zum Beispiel stellte das Unternehmen 2018 den Innovent + vor, der eine neue Maschinengeneration bei ExOne kennzeichnet. Das System ist zwar langsamer als der bisherige M-Flex 3D-Drucker von ExOne, verfügt jedoch über zwei neue wichtige Funktionen:
 
Erstens ist es mit einem Ultraschall-Beschichter ausgestattet, der entwickelt wurde, um die Fließfähigkeit des Pulvers zu verbessern und den Materialwechsel zu vereinfachen. ExOne sagt, dass diese neue Powder-Dispensing Technologie die fortschrittlichste Pulverdosierungstechnologie auf dem Markt darstellt.
 
Der Recoater wird mit vier Siebkonfigurationen geliefert, um eine bessere Materialverträglichkeit zu gewährleisten. Diese Funktion spielt eine weitere wichtige Rolle: Die Maschine kann Standard-MIM-Pulver verarbeiten.
 
Andere 3D-Metallpulverdrucker, insbesondere solche, die einen Laser oder einen Elektronenstrahl verwenden, erfordern speziell formulierte Pulver, um konsistent zu arbeiten. Solche Pulver sind jedoch häufig viel teurer als Materialien für traditionelle Metallverarbeitungstechnologien.
 
Durch die Unterstützung von MIM-Pulvern durch den Innovent + kann ExOne den Anwendern seiner Maschinen Kosteneinsparungen und eine größere Materialflexibilität einbringen.
 
Das Unternehmen arbeitet weiter an Innovationen und hat die Technologie hinter dem Innovent + zum 3D-Drucker X1 25PRO auf Produktionsebene ausgebaut. Die Maschine wurde im Juni 2019 eingeführt und kann auf ihrem großen Bauvolumen von 400 x 250 x 250 mm bis zu 10 verschiedene Materialien drucken.
 
Mit diesem System möchte das Unternehmen die Herstellung von industriellen Metallkomponenten mit hoher Auflösung, engen Toleranzen und verbesserten Oberflächen ermöglichen.

Digital Metal: Automatisierung des Metal Binder Jetting

Ein weiteres Unternehmen, das sich in der Entwicklung des Metal Binder Jettings einen Namen gemacht hat, ist Digital Metal, eine Tochtergesellschaft eines führenden Metallpulverherstellers der Höganäs-Gruppe. Digital Metal wurde 2012 gegründet und bietet seine Metallbinder-Strahltechnologie seit 2013 als Dienstleistung an. 

2017 brachte Digital Metal den 3D-Drucker DM P2500 auf den Markt, der für die Serienfertigung kleiner, komplexer Teile vorgesehen ist. Die Maschine verteilt eine Schicht Metallpulver mit einer Dicke von 0,042 mm. Ein Bindemittel wird dann entsprechend der Teilegeometrie ausgestoßen. Es wird berichtet, dass dieser Prozess genau und wiederholbar ist, sodass sehr kleine, aber unglaublich detaillierte Teile mit einer Auflösung von 35 Mikrometern hergestellt werden können.

Der anschließende Sinterprozess führt zu einer durchschnittlichen Oberflächenrauheit von Ra 6,0 Mikrometer, die für viele Endanwendungsteile und Merkmale wie interne Kanäle ausreichend ist.
 
Digital Metal gibt an, dass seine 3D-Metalldrucker bereits über 300.000 Komponenten in verschiedenen Branchen hergestellt haben, darunter Luft- und Raumfahrt, Luxusgüter, Dentalwerkzeuge und Industrieausrüstung. Zur Weiterentwicklung seiner Technologie hat Digital Metal im vergangenen Jahr ein vollautomatisiertes Produktionskonzept auf den Markt gebracht. Nach diesem Konzept übernimmt ein Roboter den Großteil der Prozessschritte, z. B. die Beschickung des Druckers mit Build-Boxen und deren Entfernung zur Nachbearbeitung. Ziel ist es, alle manuellen Arbeiten zu vermeiden, um eine kontinuierliche Produktion in großen Stückzahlen zu ermöglichen.

Mit der Einführung dieser No-Hand-Produktionslinie hat Digital Metal mit seiner Metal Binder Jetting-Technologie einen riesigen Sprung nach vorne gemacht.

HP Metal Jet: 3D-Druck zu einer kostengünstigen Produktionsoption machen

Nachdem HP 2016 die Multi Jet Fusion-Technologie für Polymerteile vorgestellt hatte, stellte HP 2018 die nächste Erweiterung seines Additivangebots vor: das Metal-Jetting 3D-Drucksystem.
 
Der neue 3D-Metalldrucker wird durch die Binder-Jetting-Technologie angetrieben. Der einzigartige Vorteil, den HP mit dieser Technologie verbunden hat, liegt jedoch in der innovativen Druckkopf- und Tintentechnologie.
 
Obwohl die Binder-Jetting-Technologie von Natur aus schnell ist, hat HP sein Wissen über die Druckkopftechnologie angewendet, um sie noch schneller zu machen. Das Metal Jet-System ist mit 6 Druckköpfen mit jeweils 5.280 Düsen ausgestattet. Das Vorhandensein dieser mehreren Düsenreihen erhöht die Produktivität und Zuverlässigkeit des Druckers. Darüber hinaus hat HP dank seines Fachwissens in der Tintentechnologie ein innovatives Bindemittel entwickelt, um den Sinterprozess schneller und kostengünstiger zu gestalten.
 
„Beim Metallspritzgießen muss in der Regel mehr als 10% des Bauteilegewichts in Form von Bindemittel ausgebrannt werden. In unserem Fall haben wir weniger als 1%, eine erhebliche Größenordnung weniger, was das Sintern schneller, kostengünstiger und einfacher macht “, sagt Tim Weber, HPs Global Head of Metals .
 
Zusammen ergeben diese Fortschritte einen Metall-3D-Drucker, der Wirtschaftlichkeit und Effizienz erreichen soll, die mit herkömmlichen Produktionstechnologien vergleichbar sind.
 
HP verkauft die Maschine noch nicht. Stattdessen hat das Unternehmen einen Teilefertigungsservice gestartet, um den 3D-Drucker 2020 kommerziell verfügbar zu machen. Angesichts der Behauptungen, die HP in Bezug auf das Metal Jetting aufgestellt hat, könnte diese Technologie der Schlüssel sein, um ein nachhaltiges Wertversprechen für den Metall-3D-Druck in hohem Maße zu erschließen - die Serienproduktion von additiv gefertigten Bauteilen.

3DEO: Kombination von Binder Jetting und Fräsen

Der Prozess hinter der Intelligent Layering®-Technologie von 3DEO

Viele Unternehmen sind bestrebt, den 3D-Metalldruck mit anderen Fertigungstechniken konkurrenzfähig zu machen. Ein solches Unternehmen ist 3DEO, das 2016 mit dem Ziel gegründet wurde eine Massenproduktion durch Metal Binder Jetting zu ermöglichen. Um dies zu erreichen, hat das Unternehmen den Prozess völlig neu erfunden. Anstelle von Inkjet zur selektiven Abscheidung des Bindemittels verwenden die 3DEO-Maschinen ein eigenes Sprühsystem um das Bindemittel gleichmäßig über die gesamte Schicht aufzutragen. 

Das Ergebnis ist eine harte, dünne Schicht aus Metallpulver, die dann mit Mikro-Schaftfräsern bearbeitet wird. Die CNC-Operation schneidet die Teileform für jede Schicht aus. Diese als Intelligent Layering bezeichnete Technologie ist die erste Kombination von Binder-Jetting und CNC-Fräsen in einem Hybridsystem. Mit einer solchen Kombination kann 3DEO nach dem Sintern sehr präzise kleine Metallteile mit einer Dichte von über 99,5% herstellen.

Die Intelligent Layering-Technologie von 3DEO wird derzeit nur über den Produktionsservice des Unternehmens angeboten. Durch die Beschränkung der Technologie auf den eigenen Produktionsservice stellt 3DEO eine hohe Qualität der gedruckten Teile sicher, während die Plattform sehr flexibel bleibt.

Derzeit bearbeitet 3DEO einige der größten Aufträge in der Metall-3D-Druckindustrie und hat kürzlich einen Auftrag über 28.000 Teile erhalten.

Obwohl das Unternehmen nicht vorhat, seine Maschinen zu verkaufen, dient das wachsende Produktionsvolumen dazu, die technischen Möglichkeiten des Binder Jetting zu bestätigen, nämlich Produktionsteile zu liefern, die mit konventionell hergestellten Komponenten vergleichbar sind.

 

Desktop Metal: Drucken von Metallteilen mit einer bemerkenswerten Geschwindigkeit

Das in Boston ansässige Start-up Desktop Metal wurde 2015 mit dem Ziel gegründet, das Versprechen des 3D-Drucks für die Produktion zu erfüllen. Um dies zu erreichen, hat das Unternehmen ein extrem schnelles Produktionssystem entwickelt. 

Die Technologie hinter dem Metall-3D-Drucker nennt das Unternehmen Single Pass Jetting (SPJ), eine schnellere Version des typischen Binder-Jetting-Prozesses. 

Das System wird mit zwei Druckköpfen in voller Breite und einem fortschrittlichem Pulver-Distributions System mit denen Pulver und Binder in einem einzigen Schnelldurchlauf effektiv über das Baufeld verteilt werden.

Mit einem Bauvolumen von 750 x 330 x 250 mm ermöglicht dieses bidirektionale System hochauflösendes Drucken mit bis zu 12.000 cm3 / h, was über 60 kg Metallteilen pro Stunde entspricht. Diese Geschwindigkeit ist um Größenordnungen höher als bei anderen Metall-3D-Druckern auf dem Markt, was sie ideal für die Herstellung komplexer Metallteile bei hohen Stückzahlen macht.

Darüber hinaus ist das Produktionssystem das erste Bindemittelsystem, das mit einer industriellen Inertumgebung ausgestattet ist, die ein Gasrecycling und eine Lösungsmittelrückgewinnung für das sichere Drucken reaktiver Metalle bietet. Dies eröffnet die Möglichkeit, eine breitere Palette von Metallen zu drucken, beispielsweise Aluminium.

Desktop Metal hat mit seinem Produktionssystem die Vorteile des Metal Binder Jettings maximiert indem eine wesentliche Geschwindigkeitsverbesserung hinzugefügt wurde.

Desktop Metal hat sein Produktionssystem erst vor kurzem zum Kauf angeboten, daher wird es einige Zeit dauern, bis sich seine Behauptungen zur Produktionsgeschwindigkeit bewährt haben. In diesem Fall wird das Produktionssystem der schnellste Binder-Jetting-3D-Drucker sein, der derzeit auf dem Markt erhältlich ist.


 
Der Blick in die Glaskugel

Das Spritzen von Metallbindern wird zu einer der wichtigsten Schlüsseltechnologien unter den Metall-3D-Drucktechnologien. Ermöglicht wird dies durch die einzigartige Fähigkeit der Technologie, hohe Druckgeschwindigkeiten zu erreichen und hochpräzise Komponenten herzustellen.
 
Eine weitere Schlüsselentwicklung für den Erfolg des Metallbindemittelstrahlens ist die Kompatibilität mit bereits bekannten und relativ billigen MIM-Pulvern.
 
Eine Reihe von Unternehmen hat das Durchbruchspotential des Metallbindemittelstrahlens erkannt und arbeitet intensiv daran, die sich bietenden Chancen zu nutzen. In Zukunft werden diese Unternehmen das Metal Binder Jetting weiterentwickeln. Letztendlich wird dies der Technologie helfen einen wertvollen Anteil am gesamten Fertigungsmarkt zu erlangen.