Leitfaden für Binder Jetting-Materialien

Binder Jetting: Bedeutung und Verfahren

Beim Binder Jetting werden Objekte Schicht für Schicht aus einem pulverförmigen Basismaterial und einem flüssigen Bindemittel aufgebaut. Da beim Binder Jetting keine Hitze zum Verschmelzen der Materialien benötigt wird, eignet es sich für eine breite Materialpalette.

Binder-Jetting-Verfahren

Eine dünne Schicht Pulvermaterial wird auf der Bauplattform verteilt. Ein Druckkopf trägt dann gezielt das flüssige Bindemittel auf die Pulverschicht auf und verbindet die Partikel zu einem Querschnitt des Objekts. Nach dem Drucken jeder Schicht senkt sich die Bauplattform leicht ab und eine neue Pulverschicht wird aufgetragen. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das gesamte Objekt fertiggestellt ist.

Bildquelle: ExOne

Binder Jetting-Materialien und Anwendungen [1]

1. Edelstähle

Das Binder-Jetting von Edelstählen, insbesondere von 316L, bietet einzigartige mechanische Eigenschaften, die von verschiedenen Prozessparametern und Nachbehandlungen beeinflusst werden.

Durch Binder-Jetting hergestellte Teile aus Edelstahl 316L bieten trotz größerer Korngröße und höherer Porosität im Vergleich zu laserpulvergeschweißten Teilen eine gute Zugfestigkeit, Druckfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Sie eignen sich für vielfältige Anwendungen, darunter biomedizinische Implantate, Automobilkomponenten, Anlagen für die chemische Verfahrenstechnik, Luft- und Raumfahrtkomponenten, kundenspezifische Werkzeuge, Wärmetauscher und Architekturelemente.

2. Titanlegierungen

Das Binder-Jetting von Titanlegierungen, insbesondere von Ti-6Al-4V (Ti64), bietet einzigartige mechanische Eigenschaften, die von verschiedenen Prozessparametern und Nachbehandlungen beeinflusst werden.

Durch Binder-Jetting hergestellte Ti64-Bauteile weisen hervorragende mechanische Eigenschaften auf, darunter hohe Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit. Dank ihres geringen Gewichts, ihrer Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit und der Möglichkeit zur Herstellung komplexer Geometrien eignen sich durch Binder-Jetting hergestellte Ti62-Bauteile für eine Vielzahl von Anwendungen, von Luft- und Raumfahrtkomponenten und biomedizinischen Implantaten über Automobilteile und Schiffsanwendungen bis hin zu Anlagen für die chemische Verfahrenstechnik, Sonderwerkzeugen und Wärmetauschern.

3. Kobaltlegierungen

Das Binder-Jetting von Kobaltlegierungen, wie z. B. WC-Co (Wolframcarbid-Kobalt), bietet einzigartige mechanische Eigenschaften, die von den Pulvereigenschaften, der Art des Bindemittels und der Nachbehandlung beeinflusst werden.

Durch die Anpassung des Kobaltgehalts und die Optimierung der Sinterbedingungen konnten Dichte, Härte, Verschleißfestigkeit und Bruchzähigkeit von mittels Binder-Jetting hergestellten WC-Co-Bauteilen verbessert werden. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit, Verschleißfestigkeit und der Möglichkeit zur Herstellung komplexer Geometrien eignen sie sich ideal für zahlreiche Anwendungen, beispielsweise für Schneidwerkzeuge, Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, Medizingeräte, verschleißfeste Beschichtungen, Bauteile für den Energiesektor sowie kundenspezifische Werkzeuge und Formen.

4. Nickelbasierte Superlegierungen

Das Binder-Jetting von Nickelbasis-Superlegierungen bietet einzigartige mechanische Eigenschaften, die von der Legierungszusammensetzung, den Verarbeitungsparametern und den Nachbehandlungen beeinflusst werden.

Durch Binder-Jetting hergestellte Bauteile auf Nickelbasis zeichnen sich durch hohe Temperaturfestigkeit, ausgezeichnete Kriech- und Korrosionsbeständigkeit, hohe Dauerfestigkeit und signifikante Härte aus. Sie finden Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, bei Gasturbinen, Anlagen zur chemischen Verfahrenstechnik, Kernreaktoren, in der Öl- und Gasindustrie, in Wärmetauschern, Raketenantrieben und medizinischen Implantaten.

5. Magnetische Formgedächtnislegierungen

Magnetische Formgedächtnislegierungen (MSMAs), insbesondere solche auf Ni-Mn-Ga-Basis, weisen bei der Verarbeitung mittels Binder-Jetting einzigartige mechanische Eigenschaften auf. Diese Eigenschaften werden von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter die Pulvermorphologie, die Sinterbedingungen und die Nachbehandlung.

Die im Binder-Jetting-Verfahren hergestellten Bauteile weisen einzigartige Eigenschaften wie hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit und die Fähigkeit zu reversiblen Formänderungen unter dem Einfluss von Magnetfeldern auf. Sie eignen sich für Anwendungen wie Aktuatoren, Sensoren, medizinische Geräte und energieeffiziente Kühlsysteme.

6. Magnetische Materialien

Das Binder-Jetting von magnetischen Werkstoffen, wie z. B. NdFeB und Fe-Si-Legierungen, bietet einzigartige mechanische Eigenschaften, die von den Pulvereigenschaften, der Art des Bindemittels und den Nachbearbeitungsbehandlungen beeinflusst werden.

Magnetische Bauteile aus dem Binder-Jet-Verfahren zeichnen sich durch hohe mechanische Festigkeit, intrinsische magnetische Eigenschaften und eine isotrope Mikrostruktur aus. Sie eignen sich ideal für die Herstellung von Permanentmagneten, weichmagnetischen Bauteilen, Medizingeräten, Automobilteilen und für die Luft- und Raumfahrttechnik.

7. Kupfer

Das Binder-Jetting von Kupfer bietet einzigartige mechanische Eigenschaften, die von verschiedenen Prozessparametern und Nachbearbeitungsbehandlungen beeinflusst werden.

Die mechanischen Eigenschaften von mittels Binder-Jetting hergestellten Kupferbauteilen, wie Dichte und Zugfestigkeit, hängen stark von ihrer Sinterdichte ab, wobei auch Porosität und Mikrostruktur eine entscheidende Rolle spielen. Dank der hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer, der Möglichkeit, komplexe Geometrien zu realisieren, und der durch geeignetes Sintern und Nanopartikelzusätze verbesserten Gesamtleistung eignen sich diese Bauteile ideal für Anwendungen wie Wärmemanagementsysteme, elektrische Komponenten, Filter, Strukturelektronik, Schmuck und Dekorationsartikel, Industrieteile und Rapid Prototyping.

8. Keramik

Das Binder-Jetting von Keramik bietet einzigartige mechanische Eigenschaften, die durch verschiedene Prozessparameter und Nachbearbeitungsbehandlungen beeinflusst werden.

Durch Binder-Jetting hergestellte Keramikbauteile bieten hervorragende mechanische Eigenschaften wie hohe Härte, Wärmeleitfähigkeit und Beständigkeit gegenüber Verschleiß, Chemikalien und Korrosion. Diese Eigenschaften, kombiniert mit der Möglichkeit, Porosität und Mikrostruktur durch Sintern zu steuern, machen Binder-Jetting-Keramiken geeignet für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, für biomedizinische Implantate, elektronische Bauteile, Filter und Katalysatoren, Werkzeuge und Verschleißteile, im Energiesektor, für optische Komponenten und im künstlerischen Bereich.

9. Aluminiumoxid

Das Binder-Jetting von Aluminiumoxid bietet einzigartige mechanische Eigenschaften, die von verschiedenen Prozessparametern und Nachbearbeitungsbehandlungen beeinflusst werden.

Durch Binder-Jetting hergestellte Aluminiumoxidteile bieten eine hohe Dichte, ausgezeichnete Härte, Druckfestigkeit, Biegefestigkeit sowie überlegene thermische Stabilität und Verschleißfestigkeit. Dadurch eignen sie sich ideal für eine Vielzahl von Hochleistungsanwendungen, darunter biomedizinische Implantate, elektrische Isolatoren, verschleißfeste Komponenten, Wärmemanagementsysteme, Filter, Katalysatorträger, Luft- und Raumfahrtkomponenten und kundenspezifische Werkzeuge.

10. Porzellan

Das Binder-Jetting von Porzellan bietet einzigartige mechanische Eigenschaften, die von verschiedenen Prozessparametern und Nachbearbeitungsbehandlungen beeinflusst werden.

Durch Binder-Jetting hergestellte Keramikteile zeichnen sich durch hohe Härte, ausgezeichnete thermische Stabilität und starke mechanische Eigenschaften aus. Ihre Dichte und Mikrostruktur werden durch Nachbearbeitungsschritte wie Sintern deutlich verbessert. Sie eignen sich für vielfältige Anwendungen, darunter Geschirr und Dekorationsartikel, Architekturelemente, Zahnprothesen, Kunst und Skulpturen, Industriekomponenten sowie Filter und Katalysatoren.

11. Metallmatrix-Verbundwerkstoffe

Das Binder-Jetting von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen bietet einzigartige mechanische Eigenschaften, die vom Matrixmaterial, der Art der Verstärkung und den Verarbeitungsparametern beeinflusst werden.

Durch die Zugabe von Keramikverstärkungen und ein optimiertes Sinterverfahren weisen mit Binder Jetting hergestellte Metallmatrix-Bauteile im Vergleich zu unverstärktem Metall eine höhere Dichte, Härte, Festigkeit, Verschleißfestigkeit, verbesserte thermische Eigenschaften und Steifigkeit auf. Sie eignen sich ideal für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, für Schneidwerkzeuge, Wärmemanagementsysteme, Panzerungsanwendungen, Elektronikgehäuse, Sportgeräte und industrielle Verschleißteile, bei denen Leistung und Langlebigkeit entscheidend sind.

Ressource:

[1] Amir Mostafaei, Amy M. Elliott, John E. Barnes, Fangzhou Li, Wenda Tan, Corson L. Cramer, Peeyush Nandwana, Markus Chmielus. „Binder-Jet-3D-Druck – Prozessparameter, Materialien, Eigenschaften, Modellierung und Herausforderungen“. Online verfügbar ab 15. Juni 2020, endgültige Fassung vom 29. April 2021, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642520300712#s0230.