Druk przyrostowy elementów metalowych typowo kojarzy się z wykorzystaniem technologii laserowych, gdzie z wykorzystaniem wysokoenergetycznych impulsów spiekane są kolejne drobinki proszku metalicznego aż do uzyskania kompletnego obiektu. Zupełnie innym pomysłem na tego typu produkcję jest użycie technologii binder jetting, która opracowana została na amerykańskim MIT w 1993 roku. To już 25 lat istnienia tej metody, jednak jest ona ciągle mało znana – przedstawiamy informacje na ten temat.

Mowa tu o bardzo precyzyjnych elementach metalowych gdzie produkcja metodami klasycznymi (obróbka mechaniczna, odlew) jest pracochłonna i droga, lub nie umożliwia swobody produkcyjnej. Druk 3D to złoty środek i dotyczy to również technologii Binder Jetting, która została opisana krok po kroku poniżej.

Na czym polega binder jetting? Jest to technologia, która działa analogicznie do metody drukowania na domowych drukarkach atramentowych. Polega ona na spajaniu proszku metalicznego ciekłymi spoiwami, które następnie w procesach wygrzewania oraz spiekania wyparowują. Możemy ją podzielić na parę etapów:

Krok pierwszy – drukowanie

W pierwszym etapie podajnik rozprowadza proszek metaliczny na całej powierzchni stołu roboczego (material jetting), by w następnym kroku pracę rozpoczęła głowica. Jest to bardzo precyzyjne urządzenie, które dzięki numerycznemu sterowaniu rozprowadza ciekłe spoiwa w selektywny oraz szybki sposób, co pozwala na połączenie i powstanie wokseli.

Jak powstaje woksel (voxel)? Jest to najmniejszy element przestrzeni w grafice trójwymiarowej, w pewnym sensie odpowiednik piksela w grafice dwuwymiarowe

W kolejnym etapie dochodzi do obniżenia stołu roboczego o jedną warstwę, a powracający podajnik utwardza światłem ciekły fotopolimer (Vat Photo Polymerization). W międzyczasie dochodzi do oczyszczenia głowicy i pierwsza warstwa druku przestrzennego jest za nami. Po powtórzeniu poprzednich kroków otrzymujemy wydruk na całej przestrzeni skrzyni roboczej w zaledwie parę godzin.

Krok drugi – wygrzewanie

W drugim kroku skrzynia robocza umieszczana jest w piecu do utwardzania w temperaturze około 200-260°C na 6-10 godzin. Czas wygrzewania uzależniony jest od wysokości wydruku.

Krok trzeci – oczyszczanie

Na tym etapie prac odzyskiwany jest niezwiązany proszek metaliczny. Dzieje się to zarówno za pomocą małego odkurzacza jak i zestawu delikatnych pędzili oraz sprężonego powietrza. Wydobyty w ten sposób proszek w pełni nadaje się do ponownego zastosowania. Tak oczyszczona cześć jest gotowa do kolejnego kroku jakim jest spiekanie.

Krok czwarty – spiekanie

Ostatnim elementem procesu jest spiekanie w specjalnym piecu wysokotemperaturowym (900-1400°C). W tym kroku części zielone umieszczane są w specjalnym łożu, zasypywane grafitem oraz przygotowane do infiltracji, która zachodzi za pomocą zjawiska kapilarnego. Dzięki zastosowaniu brązu, którego temperatura topnienia jest niższa od temperatury topnienia pyłu metalicznego, drobne przestrzenie zostają wypełnione, co zwiększa gęstość wydruku. Proces spiekania jest obowiązkowym etapem produkcji w przeciwieństwie do infiltracji, który jest opcjonalny. Infiltracja poprawia gęstość wydruku, ale może osłabić jego parametry mechaniczne, więc jest to zależne od założeń projektowych. I tak po przejściu przez kolejne etapy produkcji mamy wydrukowany element metalowy.

Podsumowanie

Na pierwszy rzut oka nasuwa się pytanie: Dlaczego nie laser (lub EBM), który nie wymaga rozkładania procesu na kolejne kroki? Odpowiedzi jest kilka.

  • Po pierwsze: w momencie, gdy zajmujemy się obróbką termiczną wydruków nasza drukarka może drukować już kolejne partie części. Z uwagi na rozmiary pieców można wygrzewać lub spiekać więcej niż jedna skrzynię roboczą z jej zawartością, co znacząco wpływa na czas produkcji wydruków.
  • Po drugie: binder jetting pracuje z gazem atmosferycznym. Innymi słowy, w przeciwieństwie do technologii laserowych lub EBM nie używamy gazów szlachetnych w komorze drukowania, co obniża koszty eksploatacji, magazynowania oraz dostawy dodatkowego surowca.
  • Po trzecie: ciągła praca lasera lub wiązki elektronowej generuje olbrzymie zapotrzebowanie na energię elektryczną. Drukarka ExOne, nie generuje dużego poboru, a raz nagrzany piec utrzymuje swoje ciepło.
  • Po czwarte: koncept binder jetting pozwala na szybką zmianę proszków metalicznych oraz pracę nad nowymi wdrożeniami, co oznacza, że jest to dobre rozwiązanie dla jednostek badawczo rozwojowych.

Przedstawiony artykuł bazuje m.in. na informacjach dostarczonych przez firmę Colmex, która jest dostawcą maszyn do druku 3D w metalu technologią firmy ExOne.