Metal Binder Jetting ist eine fortschrittliche Technologie im Bereich der additiven Fertigung, die in der Fertigungsindustrie aufgrund ihrer Fähigkeit, komplexe und präzise Metallteile zu erstellen, an Bedeutung gewinnt. Im Unterschied zu anderen Methoden des 3D-Metalldrucks, wie z.B. dem selektiven Laserschmelzen (SLM) oder dem Elektronenstrahlschmelzen (EBM), bei denen Metallpulver Schicht für Schicht durch eine Wärmequelle geschmolzen wird, verwendet das Metal Binder Jetting ein Bindemittel, um das Metallpulver zu verbinden. Einer der Hauptvorteile von Metal Binder Jetting ist seine Geschwindigkeit. Da das Bindemittel über einen breiten Druckkopf auf das gesamte Pulverbett aufgetragen wird, ist der Prozess wesentlich schneller als Techniken wie SLM oder EBM, bei denen die Energiequelle schrittweise über das Pulverbett fahren muss. Zusätzlich ermöglicht Metal Binder Jetting eine größere Designfreiheit und Flexibilität, da es komplexere Geometrien ohne die Notwendigkeit von Stützstrukturen, die oft bei SLM und EBM benötigt werden, ermöglicht. Darüber hinaus ist es in der Lage, Teile mit internen Strukturen oder Komponenten zu erstellen, die mit traditionellen und anderen additiven Fertigungsmethoden schwierig zu bearbeiten sind.
Trotz seiner scheinbaren Einfachheit stellt das Metal Binder Jetting einen bedeutenden Fortschritt in der Fertigungstechnologie dar und erweitert die Möglichkeiten in vielen Industriezweigen.
Der Druckprozess
Vorbereitung des CAD-Modells
Am Anfang des Prozesses steht ein digitales 3D-Modell, das in einem CAD-Programm (Computer-Aided Design) erstellt wird. Dieses Modell wird dann in sehr dünne Schichten zerlegt, die in der Regel zwischen 20 und 100 Mikrometer dick sind, um dem Drucker eine Orientierung zu geben.
Pulverbeschichtung
Der Drucker beginnt den Prozess, indem er eine dünne Schicht Metallpulver auf die Bauplattform aufträgt. Die Dicke der Schicht entspricht der Dicke der Scheiben im digitalen Modell.
Auftragen des Bindemittels
Als Nächstes bewegt sich ein Druckkopf über die Pulverschicht und stößt selektiv ein flüssiges Bindemittel aus. Dieses Bindemittel “klebt” die Metallpartikel entsprechend dem vom CAD-Modell vorgegebenen Muster zusammen. Bereiche, in denen das Bindemittel nicht aufgetragen wird, bleiben als loses Pulver liegen.
Schicht-für-Schicht-Verfahren
Die Bauplattform senkt sich dann um eine Schichtdicke ab, und eine neue Schicht Metallpulver wird aufgetragen. Der Druckkopf trägt das Bindemittel auf die neue Schicht auf und verbindet sie mit der darunter liegenden Schicht. Dieser Vorgang wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das gesamte Teil gedruckt ist.
Verfeinerung des MBJ Verfahrens für höchste Effizienz
Beim herkömmlichen 3D-Metalldruck erfordern die Binder Jetting-Methoden häufig getrennte Durchgänge für das Auftragen von Pulver und Binder. Bei diesem Verfahren wird eine Schicht Metallpulver auf eine Bauplattform gestreut und dann der Druckkopf über das Pulver bewegt, um das Bindemittel selektiv aufzutragen. Durch diese selektive Abscheidung verschmelzen die Metallpulverpartikel miteinander und bilden das Design des Teils.
Die jüngsten technologischen Fortschritte haben jedoch zu einer Weiterentwicklung dieses Ansatzes geführt. Innovative Technologien wie das Single Pass Jetting (SPJ) des Herstellers Desktop Metal haben die Geschwindigkeit und Effizienz des 3D-Drucks von Metallteilen erheblich gesteigert. Bei dieser Technik werden Pulver und Bindemittel gleichzeitig in einem Durchgang aufgetragen, wodurch ein rationellerer Prozess entsteht.
Ein wesentliches Merkmal des SPJ-Verfahrens ist der Einsatz einer gegenläufigen Walze, die das Metallpulver auf der Bauplattform verteilt und verdichtet. Während die Walze ihre Arbeit verrichtet, bewegt sich der Druckkopf in die entgegengesetzte Richtung, wodurch das Bindemittel aufgetragen wird und die Metallpulverpartikel miteinander verschmelzen.
Zusätzlich zu diesen Innovationen verfügen einige moderne 3D-Drucker über einen integrierten Trocknungsmechanismus im Druckkopf. Dieser Mechanismus trocknet das Bindemittel unmittelbar nach dem Auftragen, wodurch das entstehende “grüne” Teil gestärkt wird und eine außergewöhnliche Maßgenauigkeit gewährleistet ist.
Technologien wie SPJ haben die Grenzen dessen, was beim 3D-Druck von Metall möglich ist, erweitert und ermöglichen zweidimensionale (2D) Druckgeschwindigkeiten von bis zu 12.000 cm²/s. Diese Verbesserung stellt einen bedeutenden Sprung gegenüber herkömmlichen Binder Jetting-Verfahren dar und ermöglicht die Massenproduktion hochwertiger, komplexer Metallteile schneller und effizienter als je zuvor.
Nachbearbeitung
Nach dem Druckprozess durchläuft das “grüne” Teil kritische Nachbearbeitungsphasen, einschließlich Entbindern und Sintern. Beim Entbindern wird das “grüne” Teil erhitzt, um nach und nach den größten Teil des Bindemittels zu entfernen, wodurch ein festeres, aber etwas poröses “braunes” Teil entsteht. Dieses “braune” Teil wird dann zum Sintern gebracht, wo es bis knapp unter den Schmelzpunkt des Metallpulvers erhitzt wird. Diese Hitze bewirkt, dass sich die Metallpartikel miteinander verbinden, wodurch das Teil weiter verdichtet und seine Festigkeit erhöht wird.
Die Binder Jetting 3D Drucker von gewissen Herstellern, wie z.B. Desktop Metal, nutzen eine hoch entwickelte Software, um einen erfolgreichen Sinterprozess zu gewährleisten. Diese Software sagt die Schrumpfung und Verformung des Teils während des Sinterns voraus und kompensiert sie während des Druckvorgangs. Diese Kompensation, die als “Vorverzug” bezeichnet wird, ermöglicht es, dass das Teil nach dem Sintern trotz der hohen Temperaturen und der damit verbundenen strukturellen Veränderungen seine korrekten Endmasse erreicht.
Das Ergebnis dieser Schritte ist ein solides Metallteil, das komplizierte 3D-gedruckte Details beibehält und gleichzeitig eine hervorragende Haltbarkeit und Auflösung aufweist. Von der Luft- und Raumfahrt über die Medizin bis hin zum Automobilsektor unterstreichen diese hochwertigen Teile das bahnbrechende Potenzial des Binder Jetting Verfahrens im Metall 3D Druck.
Materialien im Metal Binder Jetting
Die Auswahl der Werkstoffe für das Metal Binder Jetting ist von entscheidender Bedeutung und bestimmt in hohem Masse die Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten der fertigen Teile. Was die Kompatibilität anbelangt, so kann diese Technologie für eine Vielzahl von Metallen und Legierungen eingesetzt werden.
Rostfreier Stahl wird aufgrund seiner Robustheit, Korrosionsbeständigkeit und seines günstigen Preises häufig verwendet. Diese Eigenschaften machen rostfreien Stahl zu einer ausgezeichneten Wahl für eine Vielzahl von Anwendungen, von Automobilteilen bis hin zu Küchengeräten.
Werkzeugstähle, die für ihre Härte und Verschleissfestigkeit bekannt sind, werden ebenfalls häufig verwendet. Sie sind besonders nützlich für die Herstellung von Formen, Gesenken und Schneidwerkzeugen.
Nickelbasislegierungen wie Inconel werden auch beim Metal Binder Jetting verwendet. Diese Legierungen sind für ihre hohe Temperaturbeständigkeit und Festigkeit bekannt und werden häufig in anspruchsvollen Sektoren wie der Luft- und Raumfahrt und dem Energiesektor eingesetzt.
Auch Titan und seine Legierungen, die für ihr hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und ihre Biokompatibilität geschätzt werden, sind mit dem Metal Binder Jetting Verfahren kompatibel. Sie werden typischerweise in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin- und der Dentalindustrie eingesetzt.
Die Möglichkeit, mit diesen unterschiedlichen Materialien zu arbeiten, ist ein wesentlicher Vorteil des Metal Binder Jetting. Durch die Auswahl des richtigen Materials können Hersteller Teile herstellen, die bestimmte Anforderungen an Festigkeit, Gewicht, Temperaturbeständigkeit oder Biokompatibilität erfüllen. Diese Materialflexibilität in Verbindung mit der Fähigkeit zur Herstellung komplexer Geometrien festigt die Position des Metal Binder Jetting als leistungsstarkes Werkzeug in verschiedenen Branchen. Ob in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau oder in der Medizintechnik – diese Technologie definiert die Möglichkeiten der additiven Fertigung immer wieder neu.
Die Vorteile von Metal Binder Jetting
Nachdem wir nun ein tieferes Verständnis des Prozesses haben, wollen wir einen Blick auf die unzähligen Vorteile werfen, die diese Technologie mit sich bringt.
Flexibilität im Design
Einer der wichtigsten Vorteile des Metal Binder Jetting ist wohl die Designfreiheit, die es bietet. Herkömmliche Fertigungsverfahren können die Komplexität und Kompliziertheit von Designs aufgrund der Zwänge des Schneidens oder Bohrens einschränken. Da beim Metal Binder Jetting die Teile jedoch Schicht für Schicht aufgebaut werden, können auch komplexere Geometrien, wie z. B. innere Kanäle, Hinterschneidungen und komplizierte Muster, realisiert werden.
Schnelles Prototyping
In einer Branche, in der es auf Schnelligkeit ankommt, ist die Fähigkeit zur schnellen Erstellung von Prototypen von unschätzbarem Wert. Metal Binder Jetting erleichtert das Rapid Prototyping und ermöglicht es Designern und Ingenieuren, ihre Entwürfe schnell und kostengünstig zu überarbeiten und zu verfeinern. Dadurch kann der Produktentwicklungszyklus erheblich verkürzt und die Produkte schneller auf den Markt gebracht werden.
Skalierbarkeit und Effizienz
Das Metal Binder Jetting-Verfahren ist nicht nur effizient, sondern auch skalierbar. Es ist in der Lage, ein einzelnes, einzigartiges Teil für kundenspezifische Aufträge oder Tausende von identischen Teilen für die Massenproduktion herzustellen. Der Prozess ist automatisiert, was die manuelle Arbeit reduziert und den Abfall minimiert, was zu Kosten- und Zeiteffizienz führt.
Anwendungen von Metal Binder Jetting
Die Vielseitigkeit und Effizienz von Metal Binder Jetting findet in verschiedenen Branchen Anwendung, beispielsweise in der Herstellung von Hydraulik-Anlagen, in Fräs- und Drehzentren, in der Luft- und Raumfahrt und im Maschinenbau.
In der Hydraulik-Industrie
Metal Binder Jetting ist in der Hydraulik-Industrie von großem Nutzen. Die Fähigkeit der Technologie, komplexe Geometrien mit hoher Präzision zu fertigen, hilft bei der Herstellung komplizierter Hydraulikkomponenten wie Ventilen, Pumpen und Zylindern. Diese Teile können mit internen Kanälen und Strukturen versehen werden, was die Effizienz und Funktionalität erhöht.
In Fräs- und Drehzentren
Fräs- und Drehzentren erfordern präzisionsgefertigte Teile, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Metal Binder Jetting erfüllt diese Anforderung, indem es hochauflösende Teile mit exakten Spezifikationen anbietet. Die Fähigkeit, komplexe Geometrien und innere Strukturen zu erzeugen, ermöglicht eine verbesserte Konstruktion und Leistung der in diesen Zentren verwendeten Komponenten.
In der Luft- und Raumfahrtindustrie
Die Luft- und Raumfahrtindustrie legt Wert auf leichte, stabile und komplexe Teile – etwas, was Metal Binder Jetting hervorragend beherrscht. Komponenten wie Turbinenschaufeln, Treibstoffdüsen und andere wichtige Teile können leichter und treibstoffsparender gemacht werden. Dies führt zu einer verbesserten Gesamtleistung und zu Kosteneinsparungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie.
Im Maschinenbau
Metal Binder Jetting erweist sich aufgrund seiner Skalierbarkeit und Schnelligkeit als besonders vorteilhaft im Maschinenbau. Ganz gleich, ob es sich um die Herstellung kundenspezifischer Teile für bestimmte Maschinen oder um die Herstellung großer Mengen identischer Teile für die Serienproduktion handelt, Metal Binder Jetting kann dies effizient bewältigen. Dies trägt zu schnelleren Produktionszyklen und höherer Kosteneffizienz bei.
Mit diesen spezifischen Anwendungen in Ihren primären Zielmärkten kann Metal Binder Jetting in der Tat Ihre Fertigungsprozesse revolutionieren, die Produktqualität verbessern und zum Unternehmenswachstum beitragen.
Einschränkungen
Die Technologie kann zwar für eine Vielzahl von Metallen eingesetzt werden, hat aber auch ihre Grenzen. Nicht alle Metalle können mit Metal Binder Jetting bearbeitet werden, und bestimmte Werkstoffe erreichen möglicherweise nicht die gleichen mechanischen Eigenschaften wie die mit herkömmlichen Verfahren hergestellten.
Fazit
In der Welt der Fertigung hat sich das Metall Binder Jetting mit seinen einzigartigen Fähigkeiten und einer breiten Palette von Anwendungen eine Nische geschaffen. Es ist eine Technologie, die unvergleichliche Designfreiheit, schnelles Prototyping und Effizienz bietet. Auch wenn diese Technologie ihre eigenen Herausforderungen und Einschränkungen mit sich bringt, entwickeln Unternehmen wie Desktop Metal bahnbrechende Lösungen, um diese zu überwinden. Metal Binder Jetting ist eine vielversprechende Technologie, die die Zukunft der Fertigung mitprägen kann.
