Comprensión de la impresión 3D Binder Jetting:principios, beneficios y limitaciones

En esta introducción a la impresión 3D Binder Jetting, cubrimos los principios básicos de la tecnología. Después de leer este artículo, comprenderá la mecánica fundamental del proceso Binder Jetting y cómo se relacionan con sus beneficios y limitaciones.

¿Cómo funciona Binder Jetting?

Así es como funciona el proceso de Binder Jetting:

I. Primero, una cuchilla de repintado extiende una fina capa de polvo sobre la plataforma de construcción.

II. Luego, un carro con boquillas de inyección de tinta (que son similares a las boquillas utilizadas en las impresoras 2D de escritorio) pasa sobre la cama, depositando selectivamente gotas de un agente aglutinante (pegamento) que une las partículas de polvo. En Binder Jetting a todo color, la tinta coloreada también se deposita durante este paso. El tamaño de cada gota es de aproximadamente 80 μm de diámetro, por lo que se puede lograr una buena resolución.

III. Cuando se completa la capa, la plataforma de construcción se mueve hacia abajo y la hoja vuelve a cubrir la superficie. Luego, el proceso se repite hasta completar toda la pieza.

IV. Después de la impresión, la pieza se encapsula en el polvo y se deja curar y ganar resistencia. Luego, la pieza se retira del depósito de polvo y el exceso de polvo sin unir se limpia con aire presurizado.

Dependiendo del material, normalmente se requiere un paso de posprocesamiento. Por ejemplo, las piezas metálicas de Binder Jetting deben sinterizarse. (o tratado térmicamente de otro modo) o infiltrado con un metal de baja temperatura de fusión (normalmente bronce). Los prototipos a todo color también están infiltrados con acrílico y recubiertos para mejorar la intensidad de los colores. Los núcleos y moldes de fundición en arena suelen estar listos para usar después de la impresión 3D.

Esto se debe a que las piezas están en estado "verde" cuando salen de la impresora. Binder Jetting piezas en estado verde tienen malas propiedades mecánicas (son muy quebradizas) y alta porosidad.

Esquema de una impresora 3D Binder Jetting

¿Cuáles son las características de la impresión 3D Binder Jetting?

Parámetros de la impresora

En Binder Jetting, casi todos los parámetros del proceso están preestablecidos por el fabricante de la máquina.

La altura de capa típica Depende del material:para modelos a todo color, la altura de capa típica es de 100 micras, para piezas metálicas de 50 micras y para materiales de moldes de fundición en arena de 200-400 micras.

Una ventaja clave de Binder Jetting sobre otros procesos de impresión 3D es que la unión se produce a temperatura ambiente . Esto significa que las distorsiones dimensionales relacionadas con los efectos térmicos (como la deformación en FDM, SLS, DMSL/SLM o la curvatura en SLA/DLP) no son un problema en Binder Jetting.

Como resultado, el volumen de construcción de las máquinas Binder Jetting se encuentran entre las más grandes en comparación con todas las tecnologías de impresión 3D (hasta 2200 x 1200 x 600 mm). Estas máquinas grandes se utilizan generalmente para producir moldes de fundición en arena. Los sistemas Metal Binder Jetting suelen tener volúmenes de construcción mayores que los sistemas DMSL/SLM (hasta 800 x 500 x 400 mm), lo que permite la fabricación paralela de varias piezas a la vez. Sin embargo, el tamaño máximo de la pieza está restringido a una longitud recomendada de hasta 50 mm, debido al paso de posprocesamiento involucrado.

Además, Binder Jetting no requiere estructuras de soporte. :el polvo circundante proporciona a la pieza todo el soporte necesario (similar al SLS). Esta es una diferencia clave entre el Binder Jetting de metal y otros procesos de impresión 3D de metal, que generalmente requieren un uso extensivo de estructuras de soporte y permiten la creación de estructuras metálicas de forma libre con muy pocas restricciones geométricas. Las imprecisiones geométricas en el Binder Jetting de metal provienen principalmente de los pasos de posprocesamiento, como se analiza en una sección posterior.

Dado que no es necesario conectar las piezas de Binder Jetting a la plataforma de construcción, se puede utilizar todo el volumen de construcción. Por lo tanto, Binder Jetting es adecuado para producción por lotes de baja a media . Para aprovechar todas las capacidades de Binder Jetting, es muy importante considerar cómo llenar de manera efectiva todo el volumen de construcción de la máquina (embalaje del contenedor).

Pequeño Binder Jetting de metal con finos agujeros de gran precisión dimensional.

Imagen cortesía de Digital Metal

Impresión de carpetas a todo color

Binder Jetting puede producir piezas impresas en 3D a todo color de forma similar a Material Jetting. Se utiliza a menudo para imprimir figuras y mapas topográficos en 3D, debido a su bajo coste.

Los modelos a todo color se imprimen con polvo de arenisca o polvo de PMMA. El cabezal de impresión principal inyecta primero el agente aglutinante, mientras que un cabezal de impresión secundario inyecta tinta de color. Se pueden combinar tintas de diferentes colores para producir una gran variedad de colores, de forma similar a una impresora de inyección de tinta 2D.

Después de la impresión, las piezas se recubren con cianoacrilato (superpegamento) o un infiltrante diferente para mejorar la resistencia de las piezas y realzar la intensidad de los colores. Luego también se puede agregar una capa secundaria de epoxi para mejorar aún más la resistencia y la apariencia del color. Incluso con estos pasos adicionales, las piezas Binder Jetting a todo color son muy frágiles y no se recomiendan para aplicaciones funcionales.

Para producir impresiones a todo color, se debe proporcionar un modelo CAD que contenga la información del color. El color se puede aplicar a los modelos CAD mediante dos métodos:por cara o como un mapa de textura. Aplicar color por cara es rápido y fácil de implementar, pero usar un mapa de textura permite más controles y mayores detalles. Consulte su software CAD nativo para obtener instrucciones específicas.

Una impresión a todo color impresa en arenisca con Binder Jetting

Moldes y núcleos de fundición en arena

La producción de grandes patrones de fundición en arena es uno de los usos más comunes de Binder Jetting. El bajo coste y la velocidad del proceso lo convierten en una excelente solución para diseños de patrones elaborados que serían muy difíciles o imposibles de producir utilizando técnicas tradicionales.

Los núcleos y moldes generalmente se imprimen con arena o sílice. Después de la impresión, los moldes generalmente están inmediatamente listos para su fundición. El componente metálico fundido generalmente se retira de ellos después de la fundición rompiendo el molde. Aunque estos moldes se utilizan sólo una vez, el ahorro de tiempo y costes en comparación con la fabricación tradicional es sustancial.

Conjunto de fundición en arena de varias piezas utilizado para fundir un bloque de motor.

Imagen cortesía de ExOne

Expulsión de aglomerante metálico

Metal Binder Jetting es hasta 10 veces más económico que otros procesos de impresión 3D de metal (DMSL/SLM). Además, el tamaño de construcción de Binder Jetting es considerablemente grande y las piezas producidas no requieren estructuras de soporte. durante la impresión, permitiendo la creación de geometrías complejas. Esto hace que el metal Binder Jetting sea una tecnología muy atractiva para la producción de metal de baja a media. .

El principal inconveniente de las piezas metálicas de Binder Jetting son sus propiedades mecánicas, que no son adecuadas para aplicaciones de alta gama. Sin embargo, las propiedades materiales de las piezas producidas son equivalentes a las piezas metálicas producidas con moldeo por inyección de metal, que es uno de los métodos de fabricación más utilizados para la producción en masa de piezas metálicas.

Infiltración y Sinterización

Las piezas de Metal Binder Jetting requieren un proceso secundario después de la impresión, como la infiltración o sinterización , para lograr sus buenas propiedades mecánicas, ya que las piezas impresas consisten básicamente en partículas metálicas unidas con un adhesivo polimérico.

Infiltración: Después de la impresión, la pieza se coloca en un horno, donde el aglutinante se quema dejando huecos. En este punto, la pieza es aproximadamente un 60% porosa. Luego se utiliza bronce para infiltrar los huecos mediante acción capilar, lo que da como resultado piezas con baja porosidad y buena resistencia.

Sinterización: Una vez completada la impresión, las piezas se colocan en un horno de alta temperatura, donde se quema el aglutinante y las partículas metálicas restantes se sinterizan (unen) entre sí, lo que da como resultado piezas con muy baja porosidad.

Un estator de petróleo y gas impreso en acero inoxidable e infiltrado con bronce. Observe el acabado de la superficie, que es típico de las piezas Binder Jetted.

Imagen cortesía de ExOne

Características del Binder Jetting de metal

La precisión y la tolerancia pueden variar mucho según el modelo y son difíciles de predecir ya que dependen en gran medida de la geometría. Por ejemplo, las piezas con una longitud de hasta 25 - 75 mm se contraen entre un 0,8 y un 2 % después de la infiltración, mientras que las piezas más grandes tienen una contracción media estimada del 3 %. Para la sinterización, la contracción de la pieza es aproximadamente del 20%. Las dimensiones de las piezas se compensan por contracción por el software de la máquina, pero la contracción no uniforme puede ser un problema y debe tenerse en cuenta durante la etapa de diseño en colaboración con el operador de la máquina Binder Jetting.

El paso de posprocesamiento también puede ser fuente de imprecisiones. Por ejemplo, durante la sinterización, la pieza se calienta a una temperatura alta y se vuelve más blanda. En este estado más suave, las áreas sin soporte podrían deformarse por su propio peso. Además, como la pieza se contrae durante la sinterización, se produce una fricción entre la placa del horno y la superficie inferior de la pieza, lo que puede provocar una deformación. . Una vez más, la comunicación con el operador de la máquina Binder Jetting es clave aquí para garantizar resultados óptimos.

Las piezas metálicas sinterizadas o infiltradas por Binder Jetting tendrán una porosidad interna (La sinterización produce un 97% de piezas densas, mientras que la infiltración produce aproximadamente un 90%). Esto afecta las propiedades mecánicas de las piezas metálicas de Binder Jetting, ya que los huecos pueden provocar la iniciación de grietas. La resistencia a la fatiga y a la fractura y el alargamiento a la rotura son las propiedades del material más afectadas por la porosidad interna. Se pueden aplicar procesos metalúrgicos avanzados (como el prensado isostático en caliente o HIP) para producir piezas casi sin porosidad interna. Sin embargo, para aplicaciones donde el rendimiento mecánico es crítico, DMLS o SLM son las soluciones recomendadas.

Una ventaja del Binder Jetting de metal en comparación con DMLS/SLM es la rugosidad de la superficie. de las piezas producidas. Normalmente, las piezas metálicas Binder Jetted tienen una rugosidad superficial de Ra 6 μm después del posprocesamiento, que se puede reducir a Ra 3 μm si se emplea una etapa de granallado. En comparación, la rugosidad de la superficie impresa de las piezas DMLS/SLM es de aproximadamente Ra 12-16 μm. Esto es particularmente beneficioso para piezas con geometrías internas , por ejemplo, canales internos, donde el posprocesamiento es difícil.

La siguiente tabla resume las diferencias en las principales propiedades mecánicas de las piezas de Acero Inoxidable, impresas con Binder Jetting y DMLS/SLM:

Binder Jetting Acero inoxidable 316 (sinterizado) Binder Jetting Acero inoxidable 316 (bronce infiltrado) DMLS/SLM Acero inoxidable 316L Límite elástico 214 MPa 283 MPa 470 MPa Alargamiento de rotura 34% 14,5% 40% Módulo de elasticidad 165 GPa 135 GPa 180 GPa

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