Binder Jetting jako revoluční nástroj aditivní výroby kovových dílů

21. září | 2022

S technologií Binder Jetting se přesouváme z již zažitého 3D tisku prototypových dílů do oblasti průmyslové aditivní výroby. Můžeme takto výrazně zefektivnit výrobu koncových dílů bez nutnosti použití a přípravy nástrojů a zjednodušit nebo zcela eliminovat dokončovací procesy vyrobených dílů.

Technologie aditivní výroby (AM – Additive Manufacturing) od svého vzniku v 80. letech prokázaly značný aplikační potenciál v mnoha průmyslových odvětvích, včetně leteckého, biomedicínského a automobilového průmyslu. Na rozdíl od konvenčních výrobních metod, jako je formativní a subtraktivní výroba, jsou součásti v AM procesech vyráběny způsobem vrstva po vrstvě. Díky tomu jsou procesy AM vhodné pro výrobu dílů s vysokým stupněm geometrické složitosti. Kromě toho mohou být použity pro zpracování různých materiálů včetně kovových, keramických i polymerních.

Princip technologie Binder Jetting

Binder Jetting je technologie aditivní výroby na bázi prášku – podobná technologii Powder Bed Fusion (PBF). Klíčový rozdíl spočívá v mechanismu, který je používán k vytváření po sobě jdoucích vrstev. Na rozdíl od přímého tavení vstupního materiálu k vytvoření součásti rozděluje Binder Jetting proces do dvou fází – 3D tisku a slinování. V procesu 3D tisku se kapalné pojivo (binder) nejprve selektivně nanáší na práškové lože podle CAD modelu, aby se vytvořil příčný řez každé vrstvy. Poté následuje vytvrzování pojiva a odstranění volného zbytkového prášku okolo vytištěného dílu. Dále se provádějí procesy odstranění pojiva a slinování, kdy jsou vytištěné díly umístěny do homogenního tepelného prostředí, aby se zvýšila mechanická integrita. Proces 3D tisku technologií Binder Jetting tak nevyžaduje prostředí inertní ochranné atmosféry nebo vakua. Také struktura zrna z technologie Binder Jetting je rovnoměrnější ve srovnání se strukturou PBF nebo DED (Directed Energy Deposition). Kombinace nízkoteplotního formování tvaru a řízených procesů fúze činí tuto technologii vhodnou pro výrobu dílů z široké škály materiálů.

Na rozdíl od technologií aditivní výroby, které k přímému tavení součásti využívají vysokoenergetický paprsek, může Binder Jetting lépe zpracovávat kovy s vysokou optickou odrazivostí, vysokou tepelnou vodivostí a nízkou tepelnou stabilitou. Oproti jiným technologiím práškové aditivní výroby nejsou u technologie Binder Jetting požadovány podpůrné struktury pro odvod zbytkového tepla nebo podpůrné struktury převisů, protože vytvářený díl je dokonale podepřen okolními volnými částicemi prášku.

Technologický postup výroby

Celý proces výroby kovového dílu se skládá z 3 fází – 3D tisku technologií Binder Jetting, odstranění kovového prášku a slinování.

Proces tisku je v podstatě trojrozměrná verze inkoustového tisku na papír. CAD model součásti je nejprve rozřezán na vrstvy ve zvolené výšce. Vrstva prášku je rozprostřena nanášecím válečkem přes tiskovou plochu, na kterou je pak selektivně naneseno kapalné pojivo, aby spojilo volné práškové částice v oblasti průřezu součásti. Tisková plocha pak klesá o vzdálenost rovnající se předem stanovené výšce každé vrstvy. Tento proces se opakuje, dokud není dokončen celý díl (v této fázi tzv. zelený díl neboli „green part“). Pevnost zelených částí však není ve většině případů dostatečná pro uspokojení většiny aplikací. Pro zvýšení hustoty, a tím i mechanických vlastností finální součásti, jsou potřebné následné procesy (tzv. post-processing).

Podobně jako u mnoha jiných procesů aditivní výroby je i u dílů vyrobených technologií Binder Jetting nezbytné následné zpracování. Před odstraněním zbytkového okolního prášku kolem zelené části (tzv. depowdering) se obvykle provádí vytvrzení, aby se zelený díl mírně zpevnil pro lepší manipulaci. Před procesem slinování je třeba odstranit pojivo v zelených dílech. Proces slinování je obvykle kombinován s odstraňováním pojiva v jediném procesu tepelného zpracování. Typický tepelný profil pro díly zhotovené technologií Binder Jetting je následující:

Na rozdíl od procesu 3D tisku se odstraňování pojiva a slinování obvykle provádí v ochranné atmosféře (např. argon) nebo ve vakuu, aby se zabránilo oxidaci. Pokud materiál, jako je např. měď, snadno oxiduje při vysoké teplotě, lze pro slinování použít čistý vodík nebo formovací plyn (směs vodíku a argonu). Teplota a doba slinování jsou kritickými parametry slinování. Teplota slinování je dominantním parametrem pro konečnou hustotu a rychlost zhuštění.

Jaké jsou hlavní přednosti technologie Binder Jetting?

Produktivita

Z principu technologie tryskání pojiva a jeho rychlého nanášení na jednotlivé vrstvy kovového prášku může technologie Binder Jetting konkurovat sériové výrobě. V závislosti na velikosti a vstupní geometrii dílů představuje výrobní kapacitu až tisíce kusů v průběhu jednoho pracovního týdne.

Komplexní geometrie

Binder Jetting nabízí mnoho výhod známých z technologie 3D tisku. Především rozšiřuje možnosti při vytváření komplexní geometrie obsahující přesné a tvarově složité prvky, které nelze realizovat klasickou konvenční výrobou. Díky tomu se už při tvorbě samotného CAD modelu eliminují omezení v designu. Lze tak výrazně optimalizovat výrobní náklady i konsolidovat sestavy montážních celků.

Výroba bez nutnosti použití nástrojů

K dalším klíčovým přednostem této technologie patří možnost rychle přizpůsobit design daného modelu nebo celé jeho série bez nutnosti modifikovat výrobní nástroje. Najednou tak lze připravit více variant jednoho dílu v jedné úloze, což v konečném důsledku umožňuje snížit celkové náklady na díl. Technologie Binder Jetting je ekonomická i v případě menšího objemu výroby několika set až tisíců dílů. U konvenční výroby (MIM, odlévání,…) je realizace dílů v tomto množství neekonomická z důvodu vysokých investic do nástrojů, které se následně promítnou do ceny za jeden díl.

Zjednodušený post-processing

V průběhu tiskového procesu je díky dokonalému zhutnění každé vrstvy kovový prášek samonosný. Oblast geometrie dílu není ovlivněna působením vysoké teploty jako v případě technologie laserového spékání kovového prášku, a tím nedochází ke vzniku vnitřního pnutí. Díly tak lze rozmístit i v dalších úrovních nad sebou bez vzájemného propojení a pevného spojení s tiskovou platformou. Toto platí i v případě použití podpůrného systému, který se v případě nutnosti využívá pro podepření kritických míst v průběhu slinovacího procesu, čímž se předchází tvorbě deformací. Samotné podpory nejsou fyzicky spojeny s dílem – lze je tak snadno oddělit bez nutnosti použití dalších nástrojů. V místě styku s dílem tak nevznikají žádné defekty.

Izotropní mechanické vlastnosti

Mezi nejdůležitější vlastnosti dílů vyrobených technologií Binder Jetting patří skutečnost, že ve všech směrech namáhání vykazují stejné mechanické vlastnosti. Určitá rozdílnost, tedy nesourodost mechanických vlastností v jednotlivých osách, je nejvíce patrná u technologií, které pracují na principu separátního zpevňování vrstev. Technologie Binder Jetting však výsledné mechanické vlastnosti získává až v závěrečné fázi výroby, a to slinováním dílů v celém objemu, což vede k zachování izotropních vlastnosti ve všech směrech namáhání.

Závěr

Za posledních deset let se technologie Binder Jetting (tryskání pojiva do práškového lože) dostává stále víc do centra pozornosti. Kvůli nízkým výrobním nákladům a vysoké škálovatelnosti výroby se stává žádanou, efektivní a perspektivní alternativou k jiným procesům aditivní výroby založených na vysokoenergetických paprscích, jako je PBF a DED.

Additive Systems