BINDER JETTING – 3D ПЕЧАТЬ ДЕТАЛЕЙ ИЗ МЕТАЛЛОВ И НЕМЕТАЛЛОВ, КЕРАМИКИ, КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Принцип работы аддитивных установок высокоскоростной трехмерной печати фирмы ExOne GmbH состоит в прямом цифровом изготовлении «зелёных» заготовок по их цифровым (CAD) моделям любой геометрической сложности посредством послойного отверждения связующего агента и высокодисперсных порошков из металлических сплавов и/или их оксидов, неметаллических композиций, керамик, тугоплавких материалов и широкого ряда композиционных материалов с заданными свойствами. Термическое удаление связующего агента из «зеленой» заготовки осуществляется при температуре 110 – 200°С в дебайдинговой печи, после удаления связующего получаются «коричневые» заготовки. «Коричневые» детали спекаются в среде вакуума или защитного газа в высокотемпературной печи с регулируемой атмосферой. Температура спекания достигает 1650°C и контролируется по всему объему камеры нагрева. Программа спекания уникальна для каждой детали. После спекания «коричневые» заготовки уменьшаются в размере на 17 — 25 % (в зависимости от материала детали) в результате усадки и приобретают свою конечную форму и размеры, при этом плотность их составляет 96-99% от номинальной плотности марки стали или иного материала, из которого изготовлена деталь. В процессе высокотемпературного отжига для улучшения физико-механических и других свойств возможна инфильтрация матрицы различными материалами (сталь/бронза, вольфрам/бронза и т.д.).

Очевидно, что технологический процесс представляет собой операции MИM-технологии (от англ. Metal Injection Molding), где «зеленые» заготовки производятся с помощью 3D-печати, что позволяет исключить операции инжектирования, изготовление фидстока и трудоемкого производства инжекционной оснастки.

Основные операции 3D-печати Binder Jetting

Нанесение первого тонкого слоя
порошка из металлических сплавов,
керамики, композиционных матери-
алов и.т.д. на поверхность плиты
элеватора печатного бункера

Избирательное нанесение
связующего агента на
дисперсные частицы твердого
материала с помощью
горизонтального перемещения
печатной головки

Формирование стенок «зеленой» заготовки в
процессе отверждения связующего в матрице
твердого материала после полного прохода
печатной головки. Плита элеватора печатного
бункера опускается горизонтально вниз на
глубину равную высоте слоя  

Повторное нанесение порошка
поверх сформированного слоя
осуществляется с помощью
рекоутера и Triple ACT 

Повторение шагов 2, 3, 4 до
завершения процесса построения
детали 

Извлечение напечатанной детали 

Повышение плотности материала изделия с помощью технологии Triple ACT

Обеспечение максимально возможной плотности «зеленых» заготовок является основной задачей технологии Binder Jetting. Чем выше плотность, тем выше геометрическая точность конечного изделия и ниже усадка в процессе термообработки. Для повышения плотности применяется запатентованная технология Triple ACT, которая осуществляет компактирование порошка при его нанесении на послойно формирующиеся стенки зеленой детали в процессе печати.
Triple ACT является интегрированной частью рекоутера и реализует процессы прецизионного дозирования, распределения и уплотнения порошка, обеспечивает стандартное отклонение значения плотности «зеленой» заготовки <1% при скорости печати от 166 см3/час, и состоит из следующих взаимосвязанных узлов.


• Ультразвуковой диспенсер обеспечивает прецизионную дозировку
и равномерное долговременное распределение порошка в объеме печатного бункера


• Раскатной валик, предназначенный для равномерного предварительного
распределения порошка поверх ранее сформированного связанного


• Уплотнительный прижимной ролик служит для усиления адгезии между
равномерно распределенным порошком и ранее сформированным связанным слоем

Рекоутер с Triple ACT


Схема аддитивного технологического процесса

1. Анализ детали на технологичность, виртуальное размещение в объеме рабочего бункера, компенсация усадки за счет припусков (19% по XY, 21% по Y) 

2. 3D- печать «зелёных» заготовок по их цифровым (CAD) моделям по технологии Binder Jetting c помощью 3D-принтеров, которые различаются между собой объемом построения и скоростью печати

3. Печатный бункер извлекают из рабочей области 3D-принтера и помещают в печь для дебайдинга – отжига при 110 – 200°С для термического удаления связующего и получения «коричневых» заготовок.

4. После удаления связующего «коричневые» заготовки извлекаются из печатного бункера, несвязанный порошок удаляется с помощью промышленного пылесоса и других инструментов. При серийной 3D-печати применяются автоматизированные технологические линии для очистки. Несвязанный порошок может быть использован повторн

 5. Окончательная операция технологического процесса, в результате чего, «коричневые» заготовки окончательно приобретают заданные свойства в результате спекания. Спекание осуществляется в специальных высокотемпературных печах в вакууме или в среде защитного газа, в зависимости от материала изделия.

6. Для повышения плотности изделий и повышения коррозионной стойкости и ряда физико-механических свойств, применяется инфильтрация различных материалов в основную матрицу «коричневых» заготовок в процессе высокотемпературного спекания.

Точность, минимальные толщины и размеры

Параметры точности геометрических размеров
конечной продукции, минимальные толщины
стенок и радиусы сопряжений зависят от
материала изделия, сложности дизайна,
габаритных размеров и т.д. Ниже представлены
рекомендованные базовые значения для
большинства материалов, в процессе обработки
технологии значения приведенных
характеристик можно улучшить за счет
оптимизации дизайна изделия и/или параметров
спекания.

  • Припуски (увеличение размеров) для компенсации усадки

    - 19% в направлении осей X и Y (горизонтальные размеры)
    - 21% в направлении оси Z (вертикальные размеры)  
  • Типичная величина усадки «зеленых» заготовок 16%
  • Точность геометрических размеров обычно составляет менее 1%
  •  Минимальная толщина стенки зависит от сложности геометрии и максимальных размеров
    конструктивных элементов. Рекомендованные значения в зависимости от размеров:

Размер элемента  Мин. толщина стенки   
3-75 мм1 мм
75-150 мм1,5 мм
150-200 мм2,0 мм
200-300 мм3,0 мм

  • Внутренние углы и сопряжения должны иметь закругленную кромку с радиусом
    закругления, приблизительно равным толщине сопряженных стенок
  • Замкнутые внутренние полости должны иметь отверстия для возможности удаления
    несвязанного порошка

Основные преимущества Binder Jetting при 3D-печати деталей из металлов и неметаллов, керамики композиционных материалов

1. Высокая скорость печати

На сегодняшний день Binder Jetting является самой производительной технологией среди всех известных аддитивных технологий. Самый производительный в мире 3D принтер по металлу или керамике - X1 160Pro - имеет скорость печати более 10 000,00 см3 /час, что позволяет использовать 3Д принтеры производства ExOne для серийного производства.

2. Отсутствие технологической оснастки и модельного производства

Процесс исключает применение модельной оснастки. Отсутствие необходимости в проектировании и изготовлении оснастки позволяет сократить время на ТПП и себестоимость изделий, проектирование модельной оснастки для которых чрезвычайно трудоемко, либо невозможно. Значительно сокращаются затраты на организацию и содержание модельных участков. Конструкция изделий не ограничена возможностями инструментального производства.
Кроме того, в отличие от известных аддитивных технологий связанных с обработкой металлов, Binder Jetting не требует структурных поддержек, поскольку в процессе послойного формирования в печатном бункере деталь постоянно окружена несвязанным порошком, который естественным образом обеспечивает подпорку при печати навесных структур. 

3. Решение сложных технологических задач

Binder Jetting позволяет производить физические объекты, которые невозможно получить другим способом. Например, деталь внутри детали, или очень сложные системы охлаждения на основе сетчатых конструкций (что не получить ни литьем, ни штамповкой, ни иными аддитивными технологиями).
Ниже представлено функциональное изделие – теплообменник, изготовленный для российского заказчика на 3D-принтере X1 25Pro. Основной сложностью изготовления является наличие внутренней полости и наличием внутри кожуха решеток теплообменника расположенных в плоскостях перпендикулярных к осям четырех патрубков. Расстояние между ребрами решетки – 1,2 мм, получение решеток на машине SLM оказалось невозможным по причине ярко выраженной и драматически развивающейся анизотропии механических свойств, в процессе послойного сплавления лазером из-за температурного градиента, вызвавшего в результате деградацию геометрии металлического изделия. С помощью Binder Jetting теплообменник был изготовлен в течении 5 часов в количестве 5 штук, часть которых пошла на механические испытания.  

4. Печать керамикой, неметаллами, композиционными материалами

Для оценки микроструктуры металлических образцов изготовленных с помощью всех известных технологий 3D печати, на 28-м Ежегодном международном симпозиуме по аддитивным технологиям (28th Annual International Solid Freeform Fabrication

5. Binder Jetting и другие аддитивные технологии

Для оценки микроструктуры металлических образцов изготовленных с помощью всех известных технологий 3D печати, на 28-м Ежегодном международном симпозиуме по аддитивным технологиям (28th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium) были представлены исследования металлических образцов, полученных с помощью технологий Binder Jetting, Electron Beam Melting (EBM) и Selective Laser Melting (SLM). Как показали результаты исследования образцы, полученные с помощью EBM и SLM имеют относительно крупнозернистую многоуровневую структуру, состоящую из параллельных удлиненных зерен, сформированную их однонаправленным ростом. В то же время образцам, полученным с помощью Binder Jetting характерна более мелкозернистая и равноосная микроструктура, в которой зерно имеет приблизительно одинаковые размеры во всех направлениях. Размер и форма конечного размера зерна являются существенным фактором при определении механических свойств изделия.

  • Binder Jetting производит однородную равноосную микроструктуру, что обеспечивает изотропные механические свойства и хорошую усталостную долговечность конечного изделия
  • Binder Jetting не использует лазер, послойное формообразование металлических и керамических заготовок происходит при комнатных температурах, что исключает температурные влияния на изделие в процессе печати, вызванные процессами быстрого нагрева и охлаждения в результате воздействия лазером. «Зеленые» заготовки, полученные с помощью Binder Jetting, обладают более высокой изотропией механических свойств
  • Микроструктура изделий полученных с помощью Binder Jetting практически полностью аналогична микроструктуре образцов, изготовленных традиционными методами порошковой металлургии
  • Binder Jetting не предъявляет таких строгих требований к порошку, как SLM. Для работы подойдут даже несферические порошки, применяемые в MIM 5-150 мкм (d50), однако, чем меньше размер частиц, тем выше точность печати и усадка «зеленых» заготовок.  

Материалы

В Binder Jetting применяются несферические порошки, применяемые в MIM 5-150 мкм (d50) из большинства промышленных металлов, сплавов, керамики, графита, минералов, оксидов металлов, широкого ряда композиционных материалов и т.д.

 3D принтеры ExOne полностью открыты для использования любых материалов, в том числе отечественного производства, однако в большинстве случаев, перед приобретением настоятельно рекомендуется апробация материала заказчика методистами ExOne. На данный момент существует более 25 материалов, прошедшие аккредитацию методистами ExOne, более 15 материалов, квалифицированные (имеющие методику применения) силами пользователей ExOne по всему миру и более 10 материалов, прошедшие аккредитацию независимыми организациями-производителями порошков. Аккредитация материала разработчиками ExOne включает:

  • Оценка технологичности (возможность применения в Binder Jetting)
  • Гранулометрические исследования
  • Характеристические тесты
  • Испытания на текучесть и осыпаемость
  • Печать тестовых образцов
  • Испытания на спекаемость
  • Физико-механические испытания, металлография, химический анализ и.т.д. 


3D-принтеры

Innovent+®
Простой надежный и компактный 3D принтер представляет собой многоцелевую аддитивную платформу, которая идеально подходит для мелкосерийной печати и исследовательских задач

  • Область печати: 160×65×65 мм
  • Рабочий объем: 676 см3
  • Максимальная скорость печати: 166 см3/час
  • Минимальная толщина слоя: 30-200 мкм

Узнать подробнее
Узнать подробнее

X1 160Pro™
Современный крупногабаритный 3D принтер для высококачественного серийного производства металлических, керамических или композитных деталей Разработка 2020 года.

  • Область печати: 800×500×400 мм
  • Рабочий объем: 160 л
  • Скорость печати: >10000 см3/час
  • Минимальная толщина слоя: 30-200 мкм

X1 25Pro®
3D принтер для производства металлических, керамических или композитных деталей, идеально подходит для работы с порошками, применяемыми в MIM технологии. Разработка 2019 года.

  • Область печати: 400×250×250 мм
  • Рабочий объем: 25л
  • Максимальная скорость печати: 3600 см3/час
  • Минимальная толщина слоя: 30-200 мкм

Узнать подробнее