ЧТО ТАКОЕ ВЯЖУЩАЯ СТРУЯ

ЧТО ТАКОЕ БИНДЕР-ДЖЕТТИНГ? (ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ПЛЮСЫ, МИНУСЫ И ПРИМЕНЕНИЕ)


Являясь частью более широкого семейства технологий и процессов аддитивного производства, струйная обработка связующего, или струйная 3D-печать, считается самым быстрым процессом аддитивного производства для серийного выпуска функциональных и высокоплотных прецизионных деталей.

При струйной печати используются порошковые материалы - такие как металлы, композиты, песок и керамика, - которые разбрасываются для создания тонкого слоя порошка методом, аналогичным тому, который используется при селективном лазерном спекании (SLS). Однако если при SLS для скрепления последовательных слоев порошка используется лазер, то при струйном нанесении связующего используется промышленная печатающая головка, которая выборочно наносит жидкое связующее вещество на порошок. Таким образом, слои материала создаются на основе файла CAD до тех пор, пока не будет достигнута необходимая толщина слоя и не будет готов окончательный 3D-объект. После формирования детали необходимо отвердить (если она изготовлена из пластика) или спечь (если из металла) для окончательной обработки.

Иногда называемое "струйным", струйное нанесение связующего является экономически эффективным и низкоэнергетическим методом изготовления деталей из порошкообразных материалов. Потребляя меньше энергии, чем аналогичные методы, благодаря отсутствию лазера в процессе, струйная обработка связующего также позволяет использовать доступные материалы, а быстрое время производства приводит к низким эксплуатационным расходам на каждую произведенную деталь, что делает ее идеальной для точного и масштабируемого массового производства небольших, но точных объектов.

Содержание
Нажмите на ссылки ниже, чтобы перейти к соответствующему разделу руководства:

История
Как это работает?
Параметры печати
Материалы
Преимущества
Недостатки
Для чего используется струйная печать на связующем?
Является ли струйная обработка связующего экологичной?
Является ли биндер-джеттинг тем же самым, что и струйная обработка материалов?
Насколько точна струйная обработка связующего?
Заключение

 

История
Процесс печати был первоначально разработан в Технологическом институте (MIT) в начале 1990-х годов для печати сложных деталей из материалов промышленного класса.

В 1996 году компания ExOne получила эксклюзивную лицензию на струйный метод аддитивного производства и в 1998 году запустила первый коммерческий струйный 3D-принтер для печати металлов RTS-300. Выпустив в 2002 году свой первый песочный 3D-принтер S15, компания ExOne была приобретена компанией Desktop Metal в 2021 году.

Как это работает?
Ниже приводится пошаговое руководство по процессу струйной обработки связующего:

Шаг 1:
Сначала лезвие для нанесения покрытия распределяет тонкий слой порошкового материала по рабочей платформе.

Шаг 2:
Каретка струйных сопел, аналогичных тем, что используются в настольных 2D-принтерах, перемещается над слоем и выборочно выпускает капли связующего вещества для скрепления частиц порошка вместе. При полноцветной струйной печати вместе со связующим веществом на этом этапе также наносятся цветные чернила. Диаметр каждой капли составляет около 80 мкм, что позволяет достичь хорошего разрешения.

Шаг 3:
После завершения нанесения первого слоя (на основе CAD-проекта) строительная платформа перемещается вниз, и на поверхность наносится еще один слой порошка.

Шаг 4:
Повторяйте шаги два и три, пока не будет готова окончательная деталь.

Шаг пятый:
После завершения сборки деталь необходимо оставить для полимеризации и набора прочности, после чего можно использовать воздух под давлением для удаления излишков порошка.

Шаг шестой:
Некоторые материалы требуют последующей обработки для завершения изготовления детали. Детали из металлических связующих требуют термообработки (например, спекания) или инфильтрации металлом с низкой температурой плавления, таким как бронза. Этот этап связан с тем, что некоторые материалы выходят из принтера в так называемом "зеленом" состоянии, что означает, что они имеют плохие механические свойства, могут быть хрупкими и сильно пористыми. Детали, отлитые из песка, обычно не нуждаются в последующей обработке, но полноцветные детали пропитываются акрилом для улучшения яркости цветов.

Параметры печати
Почти все технологические параметры, используемые при струйной печати на связующем, предварительно задаются производителями машин. Такая автоматизация делает процесс простым в использовании, но типичная высота слоя варьируется в зависимости от используемого материала.

Для полноцветных моделей обычно используется высота слоя 100 микрон, а для металлических деталей - всего 50 микрон. Материалы для литья в песок обычно используют гораздо более высокую высоту слоя - от 200 до 400 микрон.

Материалы
Металлы и керамика являются широко используемыми материалами для струйного нанесения связующего, хотя можно использовать и другие порошкообразные материалы, например, песок. Кроме того, полимеры, такие как ABS или PLA, также могут быть использованы в операциях струйного нанесения связующего.

Металлические сплавы, включая титан, нержавеющую сталь и медь, регулярно используются благодаря своим характеристикам, которые позволяют изготавливать прочные и в то же время легкие детали.

За пределами промышленного применения процессы струйного нанесения связующего нашли свое применение даже в хлебопечении: такие компании, как The Sugar Lab, используют 3D-печать с гранулами сахара и воды для создания сложных кулинарных структур.

Преимущества
Основным преимуществом струйной печати на связующем является то, что процесс происходит при комнатной температуре, а это значит, что деформация деталей, связанная с тепловыми эффектами, не является проблемой. В результате объем сборки машин для струйной печати на связующем является одним из самых больших среди всех технологий 3D-печати. Самые большие машины (до 2200 x 1200 x 600 мм) обычно используются для производства форм для литья в песчаные формы. Системы струйной печати металлических связующих меньше (до 800 x 500 x 400 мм), но все же больше, чем системы DMSL / SLM, что позволяет одновременно изготавливать несколько деталей.

Для струйной обработки связующего также не требуется никаких опорных конструкций. Вместо этого порошок сам обеспечивает себе поддержку по мере роста конструкции. Это не только устраняет необходимость в последующей обработке для удаления опор, но и позволяет располагать детали таким образом, чтобы максимально увеличить объем сборки.

Струйная обработка связующего позволяет получать металлические детали с низкой шероховатостью поверхности (до Ra 3 мкм, если используется этап дробеструйной обработки) по сравнению с DMLS/SLM (Ra 12-16 мкм). Такая низкая шероховатость поверхности выгодна для деталей с внутренними каналами и геометрией, которые трудно поддаются последующей обработке.

Струйная обработка связующего также быстрее и экономичнее, чем многие другие технологии аддитивного производства, поскольку позволяет быстро создавать несколько деталей одновременно, используя несколько сопел печатающей головки или отверстий.

Недостатки
Несмотря на преимущества струйной обработки связующего, существуют и некоторые проблемы, связанные с этим процессом.

Основные проблемы, связанные со струйным нанесением связующего, - это точность и допуски, которые бывает трудно предсказать в результате усадки деталей на этапах последующей обработки. Например, металлические детали в результате инфильтрации могут уменьшиться на 2% для мелких изделий и более чем на 3% для крупных изделий. Спекание может вызвать усадку в среднем на 20%, а также привести к короблению, вызванному трением между плитой печи и нижней поверхностью детали. Тепло, используемое при спекании, может также размягчить деталь и вызвать деформацию незакрепленных участков под собственным весом. Если эти проблемы можно компенсировать при сборке, то неравномерную усадку учесть сложнее.

Детали, изготовленные методом струйного нанесения связующего, могут также демонстрировать плохие механические свойства в результате внутренней пористости. Эта пористость может быть уменьшена путем спекания (получение деталей с плотностью 97%) или инфильтрации (детали с плотностью 90%), но она может оставлять пустоты, которые приводят к образованию трещин. В результате прочность при разрушении и усталость могут стать проблемой.

 

Для чего используется струйное нанесение вяжущего?
Учитывая преимущества и недостатки процесса струйной обработки связующего, становится ясно, что он больше подходит для некоторых областей применения, чем для других.

Струйная обработка связующего используется для производства полноцветных прототипов, недорогих металлических деталей и для изготовления крупных стержней и форм для песчаного литья. Благодаря низкой стоимости и быстрым срокам производства, этот процесс даже используется для изготовления аксессуаров для киноиндустрии и применяется мобильными системами печати для производства запасных частей в полевых условиях для военнослужащих армии США. Струйная обработка связующего также используется в производстве ювелирных изделий.

Является ли струйная обработка связующего устойчивой?
Устойчивое развитие охватывает целый ряд факторов, но струйная обработка связующего, безусловно, имеет некоторые экологические преимущества по сравнению с другими методами производства.

Во-первых, поскольку при струйной обработке используется широкий спектр порошкообразных материалов, их можно получать на месте, что позволяет сократить расходы на логистику. Как и все аддитивные методы производства, струйная обработка связующего имеет очень низкий уровень отходов материалов и низкое энергопотребление по сравнению с традиционными методами производства. Однако скорость и большие объемы производства, возможные при струйной обработке связующего, еще больше снижают углеродный след.

Менее очевидной областью, требующей рассмотрения, являются используемые методы удаления окалины и очистки, а также очищающие жидкости, которые используются для этих этапов. Обычные связующие вещества для металлических деталей, такие как карнаубский, парафиновый или специальный полиэтиленовый воск, необходимо выборочно удалить с детали перед спеканием. Это сокращает время спекания и теперь может быть достигнуто с помощью современных, экологичных жидкостей для удаления связующих веществ. Более того, применение этих жидкостей в методах парового обезжиривания дает ряд дополнительных экологических преимуществ, включая снижение количества электроэнергии или воды, необходимых для процесса, без ущерба для производительности.

Является ли струйная обработка связующего тем же самым, что и струйная обработка материалов?
Между струйной обработкой связующего и струйной обработкой материала есть сходство в том, что они оба укладывают частицы на технологическую плиту для послойного создания 3D-объекта. Однако струйная обработка материалов включает в себя нанесение капель светочувствительной смолы, которые затем отверждаются под воздействием ультрафиолетового света, в то время как при струйной обработке связующих материалов наносятся слои порошкообразных материалов, скрепленных между собой связующим веществом.

Насколько точна струйная обработка связующего?
Точность нанесения связующего зависит от того, какие материалы используются для этого процесса и вводится ли цвет в деталь.

Кроме того, те материалы, которые требуют последующей обработки, могут давать усадку (см. "недостатки" выше), хотя эта усадка часто учитывается на этапе сборки.

Например, точность размеров металла, полноцветного материала или керамики/песка:

Точность размеров:
Металл: ± 2% или 0,2 мм (до ± 0,5% или ± 0,05).

Полноцветная: ± 0,3 мм

Песок: ± 0,3 мм

Заключение
При струйной печати используется связующее вещество, наносимое на слои порошка. Это вещество действует как клей, связывая порошки вместе, после чего сверху добавляется еще порошок и связывается для создания детали слой за слоем.

Этот процесс не требует использования опорных конструкций, но может потребовать последующей обработки, в зависимости от используемых материалов. Кроме того, для создания полноцветных деталей или прототипов можно использовать цветные связующие.

Совместим с различными материалами, поэтому точные этапы производства будут отличаться соответственно. Металлические детали потребуют спекания или отжига для надлежащего связывания частиц порошка вместе, но песчаные формы, созданные с помощью струйного нанесения связующего, будут готовы к использованию сразу же. Хотя, в любом случае, перед завершением работы необходимо будет удалить излишки порошка.

К преимуществам струйной формовки связующего относится меньшее коробление, поскольку она происходит при комнатной температуре, а также меньшая стоимость по сравнению со многими другими методами и возможность крупносерийного производства.

Однако детали, как правило, имеют лишь умеренные механические свойства и высокую пористость, что означает, что они могут не соответствовать всем требованиям.