Erläuterung des Binder-Jetting-Verfahrens

Was ist Binder Jetting im 3D-Druck?

Binder Jetting findet in verschiedensten Branchen und Anwendungen Verwendung. Dabei dient ein pulverförmiges Material (z. B. Metalle, Keramik oder Sand) als Basis. Schicht für Schicht wird ein flüssiges Bindemittel gezielt auf das Pulverbett aufgetragen, um das gewünschte Bauteil zu erzeugen. Jede Schicht wird nacheinander aufgebaut, bis das vollständige 3D-Modell entsteht.

Binder Jetting vereint Elemente des selektiven Lasersinterns (SLS) und des Materialauftragsdrucks. Es bietet Vielseitigkeit, hohe Druckgeschwindigkeiten und benötigt keine Stützstrukturen. Nach dem Druckvorgang härtet das Bauteil aus und gewinnt an Festigkeit. Das überschüssige Pulver wird entfernt, wodurch präzise und komplexe Bauteile entstehen. Binder Jetting eröffnet neue Möglichkeiten.

Bildquelle: ExOne

Binder Jetting 3D-Druckverfahren

Binder Jetting ist eine weniger bekannte, aber leistungsstarke 3D-Drucktechnik. Sie findet vor allem in zwei Bereichen Anwendung:

1. Metall-3D-Druck

Beim 3D-Metalldruck werden mit dem Binder-Jetting-Verfahren komplexe Metallteile hergestellt.

So funktioniert der Prozess:

1. Pulverförmiges Material: Beginnen Sie mit einem pulverförmigen Material (z. B. Metallpulver).

2. Auftragung des Bindemittels: Ein Druckkopf trägt selektiv ein Bindemittel Schicht für Schicht auf das Pulverbett auf.

3. Schichtweiser Aufbau: Jede Schicht wird nacheinander aufgebaut, bis das vollständige Bauteil entstanden ist.

4. Hybridverfahren: Binder Jetting kombiniert Elemente des selektiven Lasersinterns (SLS) und des Material Jetting. Dabei werden pulverförmiges Material (ähnlich wie beim SLS) und ein Bindemittel (ähnlich wie beim Material Jetting) verwendet, um das 3D-Modell zu erstellen.

5. Genauigkeit und Oberflächengüte: Die Qualität des mittels Binder-Jetting hergestellten Objekts hängt von Faktoren wie Schichthöhe, Tröpfchengröße und Pulvergröße ab.

2. Sandmodelle und Abgüsse

Binder Jetting wird auch zur Herstellung von Sandmodellen und -abgüssen eingesetzt.

Der Prozess:

1. Verwenden Sie ein pulverförmiges Material (z. B. Sand).

2. Tragen Sie das flüssige Bindemittel schichtweise auf.

3. Schichten Sie die einzelnen Lagen so zusammen, dass die gewünschte Form entsteht.

So funktioniert es

1. Ein Druckkopf fährt über die Pulveroberfläche und trägt winzige Bindemitteltröpfchen (mit einem Durchmesser von etwa 50 Mikrometern) auf.

2. Diese Bindemitteltröpfchen verbinden die Pulverpartikel miteinander und bilden so die einzelnen Schichten des endgültigen 3D-Modells.

3. Sobald jede Schicht fertiggestellt ist, senkt sich das Pulverbett ab und eine neue Pulverschicht wird gleichmäßig über die zuvor gedruckte Schicht verteilt.

4. Die Genauigkeit und Oberflächengüte des mittels Binder-Jetting hergestellten Objekts hängen von Faktoren wie Schichthöhe, Tröpfchengröße und Pulvergröße ab.

Nach dem Drucken

1. Nach dem Drucken müssen die Teile aushärten und an Festigkeit gewinnen.

2. Das ungebundene Pulver wird mit Druckluft entfernt.

3. Im Gegensatz zu einigen anderen 3D-Druckverfahren sind keine Stützstrukturen erforderlich, da die Teile von Pulver umgeben sind, was den Nachbearbeitungsaufwand und den Materialverbrauch reduziert.

Bildquelle: Freeman Technology

Binder Jetting: Vor- und Nachteile

Vorteile

1. Prozess bei Raumtemperatur

● Der Hauptvorteil des Binder Jetting-Verfahrens besteht darin, dass der Prozess bei Raumtemperatur stattfindet.

● Im Gegensatz zu einigen anderen 3D-Druckverfahren gibt es keine thermischen Effekte, die zu Bauteilverformungen führen.

● Durch Binder Jetting lassen sich größere Bauvolumina realisieren, wodurch Binder-Jetting-Maschinen für die Massenproduktion geeignet sind.

2. Kostengünstig und energieeffizient

● Beim Binder Jetting wird ein flüssiges Bindemittel anstelle eines Lasers verwendet, wodurch es energieeffizienter ist.

● Das Verfahren nutzt zudem kostengünstige Materialien, was zu niedrigen Betriebskosten pro hergestelltem Teil führt.

● Es ist die ideale Wahl für die präzise und skalierbare Massenproduktion kleiner, aber genauer Objekte.

3. Keine Stützen erforderlich

● Im Gegensatz zum Schmelzschichtverfahren (FDM) oder der Stereolithographie (SLA) benötigt das Binder Jetting keine Stützstruktur.

● Die Teile werden von Pulver umgeben, wodurch die Nachbearbeitungszeit und der Materialverbrauch reduziert werden.

Nachteile

1. Begrenzte Materialoptionen

● Binder Jetting bietet nur eine begrenzte Materialauswahl, was den Einsatz in verschiedenen Anwendungsbereichen einschränkt.

● Es eignet sich zwar gut für Metalle, Keramik und Sand, ist aber möglicherweise auch für andere Materialien als Spezialmaterialien geeignet.

2. Hohe Nachbearbeitungszeit

● Nach dem Drucken müssen Binder-Jetting-Teile ausgehärtet und verstärkt werden.

● Dieser zusätzliche Schritt kann im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren zu längeren Vorlaufzeiten führen.

Binder Jetting-Materialien

1. Metalle

Das Metallbindemittelstrahlverfahren kann eine Vielzahl von Metallpulvern verarbeiten, darunter:

● Edelstahl

● Inconel

● Kupfer

● Titan

● Wolframcarbid

2. Keramik

Keramische Werkstoffe sind ebenfalls mit dem Binder-Jetting-Verfahren kompatibel. Beispiele hierfür sind:

● Aluminiumoxid

● Zirkonoxid

● Siliciumcarbid

3. Sand

Das Sandbindemittel-Jetting ist besonders in der Gießereiindustrie von Nutzen. Es ermöglicht die Herstellung von Sandformen und -kernen für Gießverfahren.

4. Sonstige Materialien

Neben Metallen und Keramiken kann das Binder-Jetting-Verfahren auch bei anderen Materialien wie Polymeren eingesetzt werden.

Bildquelle: 3DEO

Binder Jetting vs. Material Jetting

Binder Jetting (BJ)

Verfahren

Beim Binder-Jetting werden pulverförmige Materialien (wie Metall, Sand, Gips oder Keramik) Schicht für Schicht aufgetragen.

Druckmechanismus

Ein flüssiges Bindemittel (üblicherweise ein Polymerbindemittel) wird gezielt auf das Pulverbett aufgetragen. Das Bindemittel verfestigt sich beim Kontakt und verbindet die Pulverpartikel innerhalb einer Modellschicht miteinander.

Vorteile

1. Schneller als viele andere 3D-Druckverfahren.

2. Kostengünstig für die Massenproduktion aufgrund niedriger Materialkosten.

3. Aufwendige Stützkonstruktionen sind nicht erforderlich.

4. Kann Metallteile direkt drucken.

Nachteile

1. Geringere Auflösung im Vergleich zu einigen anderen Verfahren.

2. Auflösungsprobleme aufgrund von Kapillarwirkung, die das Bindemittel in das umgebende Pulver ausbluten lässt.

3. Begrenzte Farbauswahl.

Anwendungen

Geeignet für niedrig auflösende Teile aus einer Vielzahl von Materialien.

Materialstrahlverfahren (MJ)

Verfahren

Das Materialauftragsverfahren basiert auf dem gleichen Prinzip wie der 2D-Druck. Mehrere Druckköpfe tragen Materialtropfen (üblicherweise lichtempfindliches Harz oder Fotopolymer) auf einen Bautisch auf. UV-Licht härtet das Material aus.

Druckmechanismus

Beim Material Jetting werden die Modellschichten direkt auf den Bautisch gedruckt.

Vorteile

1. Hohe Auflösung, geeignet für detaillierte Kunststoffprototypen und -modelle.

2. Es können mehrere Photopolymere und Farben kombiniert werden.

3. Hohe Druckgeschwindigkeit.

Nachteile

1. Es könnte aufgrund der Materialeigenschaften teurer sein.

2. Erfordert Stützstrukturen (werden nach dem Drucken entfernt).

Anwendungen

Ideal für detaillierte Prototypen, Modelle und Teile, die eine hohe Auflösung erfordern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Binder Jetting für die Massenproduktion kostengünstig ist, jedoch eine geringere Auflösung bietet, während Material Jetting eine höhere Auflösung ermöglicht, aber unter Umständen teurer ist. Die Wahl hängt von den spezifischen Projektanforderungen wie Auflösung, Materialien und Produktionsvolumen ab.

Bildquelle: Protolabs Network von Hubs

Binder Jetting-Anwendungen

Binder Jetting bietet ein breites Anwendungsspektrum, von der Luft- und Raumfahrt über das Gesundheitswesen bis hin zu Kunst und Bauwesen.

1. Automobilindustrie

● Prototypen: Mit Binder Jetting werden funktionale Prototypen für Tests und Validierungen erstellt.

● Werkzeugkomponenten: Es produziert Werkzeugkomponenten wie Vorrichtungen, Lehren und Formen.

2. Luft- und Raumfahrtsektor

● Leichtbauteile: Das Binder-Jetting-Verfahren ermöglicht die Herstellung von leichten und dennoch robusten Bauteilen für den Einsatz in Flugzeugen und Raumfahrzeugen.

● Komplexe Geometrien: Es eignet sich ideal zur Erstellung aufwendiger Bauteile mit komplexen Geometrien.

3. Gesundheitswesen und Medizinprodukte

● Anatomische Modelle: Binder Jetting hilft bei der Erstellung präziser anatomischer Modelle für die chirurgische Planung und Ausbildung.

● Zahnrestaurationen: Es wird in Dentallaboren für Kronen, Brücken und Prothesen verwendet.

4. Gießereiindustrie

● Sandgusskerne und -formen: Mit Binder Jetting werden Sandgusskerne und -formen für den Metallguss hergestellt.

● Kostengünstige Werkzeuge: Es bietet kostengünstige Werkzeuglösungen für Gießereien.

5. Luxusgüter und Kunst

● Individueller Schmuck: Binder Jetting ermöglicht es Schmuckdesignern, aufwendige und personalisierte Stücke zu kreieren.

● Künstlerische Skulpturen: Künstler nutzen sie, um ihre kreativen Visionen zum Leben zu erwecken.

6. Architektur und Bauwesen

● Architekturmodelle: Mit Binder Jetting lassen sich detaillierte Architekturmodelle für Visualisierungen und Präsentationen herstellen.

● Maßgeschneiderte Baukomponenten: Es können individuelle Bauelemente mit einzigartigen Designs erstellt werden.