ЩО ТАКЕ БІНДЕР-ДЖЕТТИНГ? (ВИЗНАЧЕННЯ, ПЛЮСИ, МІНУСИ І ЗАСТОСУВАННЯ)
Як частина більш широкого сімейства технологій і процесів адитивного виробництва, струминна обробка сполучного, або струминний 3D-друк, вважається найшвидшим процесом адитивного виробництва для серійного випуску функціональних і високощільних прецизійних деталей.
При струминному друку використовуються порошкові матеріали - такі як метали, композити, пісок і кераміка - які розкидаються для створення тонкого шару порошку методом, аналогічним тому, що використовується при селективному лазерному спіканні (SLS). Однак якщо при SLS для скріплення послідовних шарів порошку використовується лазер, то при струминному нанесенні сполучного використовується промислова друкуюча головка, яка вибірково наносить рідку речовину на порошок. Таким чином, шари матеріалу створюються на основі файлу CAD доти, доки не буде досягнуто необхідної товщини шару і не буде готовий остаточний 3D-об'єкт. Після формування деталі необхідно затвердити (якщо вона виготовлена із пластику) або спекти (якщо з металу) для остаточної обробки.
Іноді зване "струменевим", струменеве нанесення сполучного є економічно ефективним і низькоенергетичним методом виготовлення деталей з порошкоподібних матеріалів. Використовуючи менше енергії, ніж аналогічні методи, завдяки відсутності лазера в процесі, струминна обробка сполучного дозволяє використовувати доступні матеріали, а швидкий час виробництва призводить до низьких експлуатаційних витрат на кожну вироблену деталь, що робить її ідеальною для точного і масштабованого масового виробництва невеликих, але точні об'єкти.
Зміст
Натисніть посилання нижче, щоб перейти до відповідного розділу посібника:
Історія
Як це працює?
Параметри друку
Матеріали
Переваги
Недоліки
Навіщо використовується струменевий друк на сполучному?
Чи є струминна обробка сполучного екологічного?
Чи є біндер-джеттинг тим самим, що і струминна обробка матеріалів?
Наскільки точна струминна обробка сполучного?
Висновок
Історія
Процес друку був спочатку розроблений у Технологічному інституті (MIT) на початку 1990-х років для друку складних деталей із матеріалів промислового класу.
У 1996 році компанія ExOne отримала ексклюзивну ліцензію на струменевий метод адитивного виробництва та в 1998 році запустила перший комерційний струминний 3D-принтер для друку металів RTS-300. Випустивши в 2002 свій перший пісочний 3D-принтер S15, компанія ExOne була придбана компанією Desktop Metal в 2021 році.
Як це працює?
Нижче наводиться покроковий посібник з процесу струминної обробки сполучного:
Крок 1:
Спочатку лезо для нанесення покриття розподіляє тонкий шар порошкового матеріалу по робочій платформі.
Крок 2:
Каретка струменевих сопел, аналогічних тим, що використовуються в настільних 2D-принтерах, переміщається над шаром і вибірково випускає краплі речовини для скріплення частинок порошку разом. При повнокольоровому струменевому друку разом із сполучною речовиною на цьому етапі також наносяться кольорові чорнила. Діаметр кожної краплі складає близько 80 мкм, що дозволяє досягти хорошого дозволу.
Крок 3:
Після завершення нанесення першого шару (на основі CAD-проекту) будівельна платформа переміщається вниз і на поверхню наноситься ще один шар порошку.
Крок 4:
Повторюйте кроки два і три, доки не буде готова остаточна деталь.
Крок п'ятий:
Після завершення складання деталь необхідно залишити для полімеризації та набору міцності, після чого можна використовувати повітря під тиском для видалення надлишків порошку.
Крок шостий:
Деякі матеріали вимагають подальшого оброблення для завершення виготовлення деталі. Деталі з металевих сполучних вимагають термообробки (наприклад спікання) або інфільтрації металом з низькою температурою плавлення, таким як бронза. Цей етап пов'язаний з тим, що деякі матеріали виходять з принтера в так званому зеленому стані, що означає, що вони мають погані механічні властивості, можуть бути крихкими і сильно пористими. Деталі, відлиті з піску, зазвичай не потребують подальшої обробки, але повнокольорові деталі просочуються акрилом для покращення яскравості кольорів.
Параметри друку
Майже всі технологічні параметри, що використовуються під час струминного друку на сполучному, попередньо задаються виробниками машин. Така автоматизація робить процес простим у використанні, але типова висота шару варіюється в залежності від матеріалу, що використовується.
Для повнокольорових моделей зазвичай використовується висота шару 100 мікронів, а для металевих деталей – всього 50 мікронів. Матеріали для лиття в пісок зазвичай використовують набагато вищу висоту шару – від 200 до 400 мікрон.
Матеріали
Метали та кераміка є широко використовуваними матеріалами для струминного нанесення сполучного, хоча можна використовувати інші порошкоподібні матеріали, наприклад, пісок. Крім того, полімери, такі як ABS або PLA, можуть бути використані в операціях струминного нанесення сполучного.
Металеві сплави, включаючи титан, нержавіючу сталь та мідь, регулярно використовуються завдяки своїм характеристикам, які дозволяють виготовляти міцні та водночас легкі деталі.
За межами промислового застосування процеси струминного нанесення сполучного знайшли своє застосування навіть у хлібопеченні: такі компанії, як The Sugar Lab, використовують 3D-друк із гранулами цукру та води для створення складних кулінарних структур.
Переваги
Основною перевагою струминного друку на сполучному є те, що процес відбувається при кімнатній температурі, а це означає, що деформація деталей, пов'язана з тепловими ефектами, не є проблемою. В результаті обсяг складання машин для струминного друку на сполучному є одним із найбільших серед усіх технологій 3D-друку. Найбільші машини (до 2200 x 1200 x 600 мм) зазвичай використовуються для виробництва форм для лиття у піщані форми. Системи струминного друку металевих сполучних менше (до 800 x 500 x 400 мм), але все ж таки більше, ніж системи DMSL / SLM, що дозволяє одночасно виготовляти кілька деталей.
Для струминної обробки сполучного також не потрібно жодних опорних конструкцій. Натомість порошок сам забезпечує собі підтримку зі зростанням конструкції. Це не тільки усуває необхідність у подальшій обробці для видалення опор, але й дозволяє розташовувати деталі таким чином, щоб максимально збільшити обсяг збирання.
Струменева обробка сполучного дозволяє отримувати металеві деталі з низькою шорсткістю поверхні (до Ra 3 мкм, якщо використовується етап дробоструминної обробки) порівняно з DMLS/SLM (Ra 12-16 мкм). Така низька шорсткість поверхні вигідна для деталей із внутрішніми каналами та геометрією, які важко піддаються подальшій обробці.
Струменева обробка сполучного також швидше і економічніше, ніж багато інших технологій адитивного виробництва, оскільки дозволяє швидко створювати кілька деталей одночасно, використовуючи кілька сопел друкувальної голівки або отворів.
Недоліки
Незважаючи на переваги струминної обробки сполучного, існують деякі проблеми, пов'язані з цим процесом.
Основні проблеми, пов'язані зі струменевим нанесенням сполучного, - це точність та допуски, які буває важко передбачити в результаті усадки деталей на етапах подальшої обробки. Наприклад, металеві деталі в результаті інфільтрації можуть зменшитися на 2% для дрібних виробів і більш ніж на 3% великих виробів. Спікання може спричинити усадку в середньому на 20%, а також призвести до жолоблення, викликаного тертям між плитою печі та нижньою поверхнею деталі. Тепло, що використовується при спіканні, може розм'якшити деталь і викликати деформацію незакріплених ділянок під власною вагою. Якщо ці проблеми можна компенсувати при складанні, то нерівномірне усадження врахувати складніше.
Деталі, виготовлені методом струминного нанесення сполучного, можуть демонструвати погані механічні властивості в результаті внутрішньої пористості. Ця пористість може бути зменшена шляхом спікання (отримання деталей щільністю 97%) або інфільтрації (деталі щільністю 90%), але вона може залишати порожнечі, які призводять до утворення тріщин. В результаті міцність при руйнуванні та втома можуть стати проблемою.
Навіщо використовується струменеве нанесення в'яжучого?
Враховуючи переваги та недоліки процесу струминної обробки сполучного, стає ясно, що він більше підходить для деяких областей застосування, ніж для інших.
Струменева обробка сполучного використовується для виробництва повнокольорових прототипів, недорогих металевих деталей та для виготовлення великих стрижнів та форм для піщаного лиття. Завдяки низькій вартості та швидким термінам виробництва цей процес навіть використовується для виготовлення аксесуарів для кіноіндустрії та застосовується мобільними системами друку для виробництва запасних частин у польових умовах для військовослужбовців армії США. Струменна обробка сполучного також використовується у виробництві ювелірних виробів.
Чи є струминна обробка сполучного стійкою?
Стійкий розвиток охоплює низку чинників, але струминна обробка сполучного, безумовно, має деякі екологічні переваги проти іншими методами виробництва.
По-перше, оскільки при струминній обробці використовується широкий спектр порошкоподібних матеріалів, їх можна отримувати на місці, що дозволяє скоротити витрати на логістику. Як і всі адитивні методи виробництва, струминна обробка сполучного має дуже низький рівень відходів матеріалів та низьке енергоспоживання, порівняно з традиційними методами виробництва. Однак швидкість і великі обсяги виробництва, можливі при струминній обробці сполучного, ще більше знижують вуглецевий слід.
Менш очевидною областю, що вимагає розгляду, є методи видалення окалини і очищення, що використовуються, а також очищаючі рідини, які використовуються для цих етапів. Звичайні речовини для металевих деталей, такі як карнаубський, парафіновий або спеціальний поліетиленовий віск, необхідно вибірково видалити з деталі перед спіканням. Це скорочує час спікання і тепер можна досягти за допомогою сучасних, екологічних рідин для видалення сполучних речовин. Більш того, застосування цих рідин у методах парового знежирення дає низку додаткових екологічних переваг, включаючи зниження кількості електроенергії або води, необхідних для процесу, без шкоди для продуктивності.
Чи є струминна обробка сполучного тим самим, що і струминна обробка матеріалів?
Між струминною обробкою сполучного та струминною обробкою матеріалу є подібність у тому, що вони обидва укладають частинки на технологічну плиту для пошарового створення 3D-об'єкта. Однак струминна обробка матеріалів включає нанесення крапель світлочутливої смоли, які потім отверждаются під впливом ультрафіолетового світла, в той час як при струминній обробці сполучних матеріалів наносяться шари порошкоподібних матеріалів, скріплених між собою сполучною речовиною.
Наскільки точна струминна обробка сполучного?
Точність нанесення сполучного залежить від того, які матеріали використовуються для цього процесу і чи вводиться колір деталь.
Крім того, ті матеріали, які вимагають подальшої обробки, можуть давати усадку (див. "недоліки" вище), хоча це усадка часто враховується на етапі складання.
Наприклад, точність розмірів металу, повнокольорового матеріалу або кераміки/піску:
Точність розмірів:
Метал: ± 2% або 0,2 мм (до ± 0,5% або ± 0,05).
Повнокольорова: ±0,3 мм
Пісок: ±0,3 мм
Висновок
При струминному друку використовується сполучна речовина, що наноситься на шари порошку. Ця речовина діє як клей, зв'язуючи порошки разом, після чого зверху додається порошок і зв'язується для створення деталі шар за шаром.
Цей процес не вимагає використання опорних конструкцій, але може вимагати подальшої обробки, залежно від матеріалів, що використовуються. Крім того, для створення повнокольорових деталей або прототипів можна використовувати кольорові сполучні.
Сумісний з різними матеріалами, тому точні етапи виробництва відрізнятимуться відповідно. Металеві деталі вимагатимуть спікання або відпалу для належного зв'язування частинок порошку разом, але піщані форми, створені за допомогою струминного нанесення сполучного, будуть готові до використання відразу. Хоча, у будь-якому випадку, перед завершенням роботи необхідно видалити надлишки порошку.
До переваг струменевого формування сполучного відноситься менше жолоблення, оскільки вона відбувається при кімнатній температурі, а також менша вартість порівняно з багатьма іншими методами і можливість великосерійного виробництва.
Однак деталі, як правило, мають лише помірні механічні властивості та високу пористість, що означає, що вони можуть не відповідати всім вимогам.