Dominando o Metal Binder Jetting: Inovação, Aplicações e Oportunidades na Indústria

Imagem acima: Parafusos M5 impressos em 3D usando sistema da Digital Metal [Crédito: Digital Metal]

O metal binder jetting está vivendo um renascimento. Na última década, muitas novas empresas entraram em modo de competição, cada uma com sua própria abordagem para esta tecnologia.

Tal atividade é impulsionada em parte pelas oportunidades lucrativas que esta tecnologia apresenta. Em primeiro lugar, a alta velocidade e precisão do processo de metal binder jetting podem estabelecê-lo como novo método de produção de alto volume.

Mas quais desenvolvimentos estão impulsionando o sucesso desta tecnologia? Hoje veremos como o metal binder jetting evoluiu e por que está decolando como tecnologia de manufatura.

Origens do metal binder jetting

As origens da tecnologia de metal binder jetting datam de 1993, quando o MIT desenvolveu processo baseado em jato de tinta para criar objetos tridimensionais usando pós metálicos.

Curiosamente, o termo "Impressão 3D" foi originalmente cunhado pelo MIT em referência à tecnologia de metal binder jetting.

A empresa Extrude Hone Corporation obteve licença exclusiva da tecnologia do MIT em 1996. Desde então, desenvolveu e comercializou sistemas de metal binder jetting, com a primeira impressora 3D, ProMetal RTS-300, entregue à Motorola em 1999.

A ExOne, spin-off da Extrude Hone em 2005, permaneceu a única empresa a oferecer serviços e sistemas de metal binder jetting até o início dos anos 2010. Nesse momento, as patentes iniciais do MIT começaram a expirar, permitindo entrada de novas empresas.

Desde então, o metal binder jetting foi revivido com a visão de tornar esta tecnologia verdadeiramente adequada para produção across indústrias.

Como funciona o metal binder jetting?

No metal binder jetting, um ligante líquido é depositado seletivamente para unir partículas de pó, camada por camada.

O processo começa espalhando uma camada fina de pó, com cabeçotes de impressão depositando gotas de ligante no leito de pó. A mesa de impressão desce e outra camada de pó é espalhada. O processo repete até a peça completar, com pó não utilizado (cerca de 95%) reciclado.

Com metal binder jetting, peças recém-impressas permanecem em estado "verde" frágil e requerem pós-processamento subsequente, como sinterização e infiltração, para fortalecer a peça.

Além de metais, o binder jetting trabalha com outros materiais, como areia e cerâmicas.

Etapas de Pós-Processamento para Metal Binder Jetting

A tecnologia tradicional de binder jetting usa cabeçote de impressão para aplicar agente ligante líquido sobre camadas de pó. Ao imprimir metais com Binder Jetting, as peças requerem várias etapas de pós-processamento pois estão inicialmente em estado verde — propriedades mecânicas baixas, frequentemente fracas e quebradiças. O pós-processamento visa fortalecer as peças e inclui cura, sinterização, infiltração e outros acabamentos.

1. Cura

A cura aumenta a resistência das peças verdes para que possam ser removidas da mesa de impressão com segurança. As peças são endurecidas em forno a ~200 °C por várias horas, resultando em peças muito mais fortes.

2. Sinterização

Apesar da cura, as peças metálicas ainda serão altamente porosas. A porosidade pode ser significativamente reduzida através de sinterização ou infiltração. Tipicamente, a sinterização ocorre em forno com atmosfera controlada, onde a peça é tratada termicamente a ~100 °C por 24–36 h e o agente ligante queimado. Isso funde as partículas metálicas, resultando em peça metálica forte com baixa porosidade. A sinterização, porém, pode causar encolhimento não homogêneo, difícil de prever — deve ser considerado na etapa de design.

3. Infiltração

Para atingir alta densidade, a peça precisa ser infiltrada para preencher vazios deixados pela queima do ligante. Geralmente feito aplicando bronze fundido para infiltrar os vazios remanescentes. Estas etapas melhoram significativamente as propriedades mecânicas; por exemplo, infiltração de bronze em aço inoxidável atinge densidade final de 95%.

4. Acabamento

Finalmente, embora opcional, a peça pode ser polida e banhada a ouro ou níquel para acabamentos superficiais esteticamente agradáveis.

Por que o metal binder jetting está decolando como tecnologia de produção?

O metal binder jetting oferece benefícios únicos, facilitando sua adoção para aplicações de produção.

Primeiro, o binder jetting não funde o pó metálico durante a impressão, eliminando problemas de tensões residuais. Segundo, nenhuma estrutura de suporte é necessária, pois as peças impressas são cercadas por pó solto não utilizado. Ambos benefícios mantêm o pós-processamento ao mínimo.

Além disso, máquinas de binder jetting são menos caras que impressoras baseadas em SLM ou DED, pois não usam lasers ou feixes de elétrons caros. Máquinas mais recentes também usam pós de Metal Injection Moulding (MIM), significativamente mais baratos que pós desenvolvidos especificamente para impressão 3D (produzidos em baixos volumes, métodos caros como atomização a gás). Trocar para pós MIM reduz ainda mais custos operacionais.

Além de matéria-prima mais barata, o binder jetting produz peças muito precisas com propriedades mecânicas comparáveis a componentes manufaturados tradicionalmente. Finalmente, a velocidade do processo é tipicamente mais rápida que outros processos de impressão 3D de metal. Todos esses benefícios combinados resultam em tecnologia muito escalável e capaz de produção.

Desenvolvimentos recentes avançando o metal binder jetting

Os anos 2010 marcam nova era para o metal binder jetting. De startups a players estabelecidos, várias empresas buscam empurrar os limites do que é possível.

ExOne continua inovando

A ExOne é um dos players mais antigos no metal binder jetting. Ao longo de sua história, lançou quatro sistemas, cada um evolução do anterior. Em 2018, introduziu o Innovent+, nova geração de sistemas. Embora mais lento que a M-Flex anterior, traz dois recursos importantes: recobridor ultrassônico (melhora fluidez do pó e simplifica troca de material) e compatibilidade com pós MIM padrão. O recobridor tem quatro configurações de tela para maior compatibilidade de materiais. A empresa escalou a tecnologia do Innovent+ para a impressora de produção X1 25PRO, lançada recentemente, com volume 400 × 250 × 250 mm e capacidade de imprimir até 10 materiais diferentes, visando componentes industriais com alta resolução, tolerâncias apertadas e acabamento superficial melhorado.

Digital Metal: automatizando o metal binder jetting

A Digital Metal, subsidiária do grupo Höganäs (produtor líder de pós metálicos), fundada em 2012, oferece tecnologia como serviço desde 2013. Em 2017 lançou a DM P2500, para produção seriada de peças pequenas e complexas. Espalha camada de 0,042 mm, jateia ligante segundo geometria da peça — processo preciso e repetível, resolução de 35 µm. Sinterização resulta em rugosidade média Ra 6,0 µm, adequada para peças de uso final e recursos como canais internos. A empresa já produziu mais de 300.000 componentes em aeroespacial, bens de luxo, ferramentas odontológicas e equipamentos industriais. Lançou conceito de produção totalmente automatizada: robô manipula caixas de construção, alimenta impressora e remove para pós-processamento, eliminando trabalho manual para produção contínua de alto volume.

HP Metal Jet: Tornando a impressão 3D escolha de produção custo-competitiva

Após lançar Multi Jet Fusion para polímeros em 2016, HP introduziu em 2018 o sistema Metal Jet. Poderado por binder jetting, seu diferencial está no cabeçote de impressão e tecnologia de tinta inovadores. Embora binder jetting seja inerentemente rápido, HP aplicou conhecimento de cabeçotes para torná-lo ainda mais rápido: 6 cabeçotes com 5.280 nozzles cada, maior produtividade e confiabilidade. Desenvolveu agente ligante inovador para sinterização mais rápida e barata. "Com MIM você tem >10% em peso de ligante para queimar. No nosso caso, <1%, uma ordem de magnitude a menos, tornando sinterização mais rápida, barata e simples", diz Tim Weber, Head Global de Metais da HP. Resultado: economias e eficiências comparáveis a tecnologias de produção convencionais. HP não vende a máquina ainda; lançou serviço de produção de peças, visando disponibilidade comercial em 2020. Considerando as alegações, esta tecnologia pode ser chave para desbloquear proposta de valor sustentável para impressão 3D de metal em alto volume.

3DEO: Combinando binder jetting e fresamento

A 3DEO, fundada em 2016, visa produção de alto volume via metal binder jetting. Reinventou o processo: em vez de jato de tinta para depositar ligante seletivamente, usa sistema de spray proprietário para aplicar ligante uniformemente em toda a camada. Resulta em camada dura e fina de pó metálico que é então fresada com micro fresas. Operação CNC recorta a forma da peça para cada camada. Tecnologia chamada Intelligent Layering — primeira combinação de binder jetting e fresamento CNC em sistema híbrido. Permite criar peças metálicas pequenas muito precisas com >99,5% densidade após sinterização. Oferecida apenas via serviço de produção da própria empresa, garantindo qualidade e flexibilidade. Trabalha em alguns dos maiores pedidos da indústria, com pedido recente de 28.000 peças. Volumes crescentes validam capacidade do binder jetting de entregar peças de produção par com componentes convencionais.

Desktop Metal: imprimindo peças metálicas em velocidade impressionante

Startup de Boston, Desktop Metal, fundada em 2015 para cumprir promessa de impressão 3D para produção em escala. Desenvolveu Production System extremamente rápido. Tecnologia chamada Single Pass Jetting (SPJ), versão mais rápida do binder jetting típico. Sistema vem com dois cabeçotes full-width, espalhadores de pó avançados e sistema anti-balístico que espalha pó e imprime em única passagem rápida. Volume de construção 750 × 330 × 250 mm, sistema bi-direcional permite impressão de alta resolução a até 12.000 cm³/h — >60 kg de peças metálicas/hora. Velocidade ordens de magnitude maior que outras impressoras metálicas, ideal para peças complexas em alto volume. Primeiro sistema binder jet com ambiente inerte industrial com reciclagem de gás e recuperação de solvente para impressão segura de metais reativos (ex.: alumínio). Production System recentemente disponibilizado para compra; tempo dirá se alegações de velocidade se comprovam. Se sim, será a impressora binder jetting mais rápida do mercado.

Olhando para o futuro

O metal binder jetting torna-se uma das tecnologias-chave de impressão 3D de metal adequadas para produção. Habilitam isso suas capacidades únicas de alta velocidade e componentes de alta precisão. Outro desenvolvimento chave: compatibilidade com pós MIM já conhecidos e relativamente baratos. Várias empresas reconhecem o potencial disruptivo e trabalham para capturar oportunidades. Adiante, veremos essas empresas evoluindo o metal binder jetting ainda mais, ajudando a tecnologia a conquistar fatia valiosa do mercado total de manufatura.

>> Saiba mais sobre impressão 3D de metal em nosso Guia Definitivo de Impressão 3D de Metal.