Compreendendo a impressão 3D Binder Jetting:princípios, benefícios e limitações

Nesta introdução à impressão 3D Binder Jetting, abordamos os princípios básicos da tecnologia. Depois de ler este artigo, você compreenderá a mecânica fundamental do processo Binder Jetting e como ela se relaciona com seus benefícios e limitações.

Como funciona o Binder Jetting?

Veja como funciona o processo Binder Jetting:

I. Primeiro, uma lâmina de repintura espalha uma fina camada de pó sobre a plataforma de construção.

II. Em seguida, um carro com bicos jato de tinta (semelhantes aos bicos usados ​​em impressoras 2D de mesa) passa sobre a base, depositando seletivamente gotículas de um agente aglutinante (cola) que une as partículas de pó. No Binder Jetting colorido, a tinta colorida também é depositada durante esta etapa. O tamanho de cada gota é de aproximadamente 80 μm de diâmetro, portanto, uma boa resolução pode ser alcançada.

III. Quando a camada estiver concluída, a plataforma de construção move-se para baixo e a lâmina reveste novamente a superfície. O processo então se repete até que toda a peça esteja concluída.

4. Após a impressão, a peça é encapsulada no pó e deixada curar e ganhar resistência. Em seguida, a peça é removida do reservatório de pó e o excesso de pó não aglutinado é limpo com ar pressurizado.

Dependendo do material, geralmente é necessária uma etapa de pós-processamento. Por exemplo, peças metálicas do Binder Jetting precisam ser sinterizadas (ou de outra forma tratado termicamente) ou infiltrado com um metal de baixa temperatura de fusão (normalmente bronze). Protótipos coloridos também são infiltrados com acrílico e revestidos para melhorar a vibração das cores. Os núcleos e moldes de fundição em areia normalmente estão prontos para uso após a impressão 3D.

Isso ocorre porque as peças ficam no estado “verde” quando saem da impressora. Peças Binder Jetting no estado verde têm propriedades mecânicas pobres (são muito frágeis) e alta porosidade.
Esquema de uma impressora 3D Binder Jetting

Quais são as características da impressão 3D Binder Jetting?

Parâmetros da impressora

No Binder Jetting, quase todos os parâmetros do processo são predefinidos pelo fabricante da máquina.

A altura da camada típica depende do material:para modelos coloridos a altura típica da camada é de 100 mícrons, para peças metálicas de 50 mícrons e para materiais de molde de fundição em areia de 200-400 mícrons.

Uma vantagem importante do Binder Jetting em relação a outros processos de impressão 3D é que a colagem ocorre à temperatura ambiente . Isto significa que distorções dimensionais ligadas a efeitos térmicos (como empenamento em FDM, SLS, DMSL/SLM ou ondulação em SLA/DLP) não são um problema no Binder Jetting.

Como resultado, o volume de construção das máquinas Binder Jetting estão entre as maiores em comparação com todas as tecnologias de impressão 3D (até 2200 x 1200 x 600 mm). Essas máquinas grandes são geralmente usadas para produzir moldes de fundição em areia. Os sistemas Metal Binder Jetting normalmente têm volumes de construção maiores do que os sistemas DMSL/SLM (até 800 x 500 x 400 mm), o que permite a fabricação paralela de várias peças ao mesmo tempo. O tamanho máximo da peça, porém, está restrito a um comprimento recomendado de até 50 mm, devido à etapa de pós-processamento envolvida.

Além disso, o Binder Jetting não requer estruturas de suporte :o pó envolvente fornece à peça todo o suporte necessário (semelhante ao SLS). Esta é uma diferença fundamental entre o Binder Jetting de metal e outros processos de impressão 3D de metal, que geralmente exigem o uso extensivo de estruturas de suporte e permitem a criação de estruturas metálicas de forma livre com muito poucas restrições geométricas. As imprecisões geométricas no Binder Jetting de metal vêm principalmente das etapas de pós-processamento, conforme discutido em uma seção posterior.

Como as peças do Binder Jetting não precisam ser fixadas na plataforma de construção, todo o volume de construção pode ser utilizado. Assim, o Binder Jetting é adequado para produção de lotes baixos a médios . Para aproveitar todos os recursos do Binder Jetting, é muito importante considerar como preencher efetivamente todo o volume de construção da máquina (bin pack).
Binder Jetting de metal pequeno com furos finos de grande precisão dimensional.
Imagem cortesia de Digital Metal

Jateamento de encadernação em cores

Binder Jetting pode produzir peças impressas em 3D coloridas de maneira semelhante ao Material Jetting. É frequentemente utilizado para imprimir estatuetas e mapas topográficos em 3D, devido ao seu baixo custo.

Os modelos coloridos são impressos com pó de arenito ou pó de PMMA. O cabeçote de impressão principal injeta primeiro o agente aglutinante, enquanto um cabeçote de impressão secundário injeta uma tinta colorida. Tintas com cores diferentes podem ser combinadas para produzir uma grande variedade de cores, de forma semelhante a uma impressora jato de tinta 2D.

Após a impressão, as peças são revestidas com cianoacrilato (super cola) ou outro infiltrante para melhorar a resistência da peça e realçar a vibração das cores. Uma camada secundária de epóxi também pode ser adicionada para melhorar ainda mais a resistência e a aparência da cor. Mesmo com essas etapas extras, as peças coloridas do Binder Jetting são muito frágeis e não são recomendadas para aplicações funcionais.

Para produzir impressões coloridas, um modelo CAD que contenha as informações de cores deve ser fornecido. A cor pode ser aplicada a modelos CAD através de dois métodos:numa abordagem por face ou como um mapa de textura. Aplicar cores por face é rápido e fácil de implementar, mas usar um mapa de textura permite mais controles e maiores detalhes. Consulte seu software CAD nativo para obter instruções específicas.
Uma impressão colorida impressa em arenito com Binder Jetting

Núcleos e moldes para fundição em areia

A produção de grandes padrões de fundição em areia é um dos usos mais comuns do Binder Jetting. O baixo custo e a rapidez do processo tornam-no uma excelente solução para desenhos de padrões elaborados que seriam muito difíceis ou impossíveis de produzir utilizando técnicas tradicionais.

Os núcleos e moldes são geralmente impressos com areia ou sílica. Após a impressão, os moldes geralmente ficam imediatamente prontos para fundição. O componente metálico fundido geralmente é removido deles após a fundição, quebrando o molde. Embora estes moldes sejam usados ​​apenas uma vez, a economia de tempo e custos em comparação com a fabricação tradicional é substancial.
Conjunto de fundição em areia de várias peças usado para fundir um bloco de motor.
Imagem cortesia de ExOne

Jateamento de ligante de metal

Metal Binder Jetting é até 10x mais econômico do que outros processos de impressão 3D de metal (DMSL/SLM). Além disso, o tamanho de construção do Binder Jetting é consideravelmente grande e as peças produzidas não requerem estruturas de suporte durante a impressão, possibilitando a criação de geometrias complexas. Isso torna o Binder Jetting de metal uma tecnologia muito atraente para a produção de metal de baixa a média .

A principal desvantagem das peças metálicas do Binder Jetting são suas propriedades mecânicas, que não são adequadas para aplicações de alta qualidade. No entanto, as propriedades do material das peças produzidas são equivalentes às das peças metálicas produzidas com Moldagem por Injeção de Metal, que é um dos métodos de fabricação mais utilizados para a produção em massa de peças metálicas.

Infiltração e Sinterização

As peças de Metal Binder Jetting requerem um processo secundário após a impressão, como infiltração ou sinterização , para alcançar suas boas propriedades mecânicas, já que as peças impressas consistem basicamente em partículas metálicas unidas por um adesivo polimérico.

Infiltração: Após a impressão, a peça é colocada em um forno, onde o ligante é queimado deixando vazios. Neste ponto, a peça está aproximadamente 60% porosa. O bronze é então utilizado para infiltrar os vazios por ação capilar, resultando em peças com baixa porosidade e boa resistência.

Sinterização: Após a conclusão da impressão, as peças são colocadas em um forno de alta temperatura, onde o ligante é queimado e as partículas metálicas restantes são sinterizadas (ligadas), resultando em peças com baixíssima porosidade.
Estator de óleo e gás impresso em aço inoxidável e infiltrado com bronze. Observe o acabamento superficial, típico das peças Binder Jetted.
Imagem cortesia de ExOne

Características do Binder Jetting de metal

A precisão e a tolerância podem variar muito dependendo do modelo e são difíceis de prever, pois dependem muito da geometria. Por exemplo, peças com comprimento de até 25 a 75 mm encolhem entre 0,8 a 2% após a infiltração, enquanto peças maiores têm uma retração média estimada de 3%. Para sinterização, a contração da peça é de aproximadamente 20%. As dimensões das peças são compensadas pelo encolhimento pelo software da máquina, mas o encolhimento não uniforme pode ser um problema e deve ser considerado durante a fase de projeto em colaboração com o operador da máquina Binder Jetting.

A etapa de pós-processamento também pode ser fonte de imprecisões. Por exemplo, durante a sinterização, a peça é aquecida a alta temperatura e fica mais macia. Neste estado mais brando, áreas não apoiadas podem deformar-se sob seu próprio peso. Além disso, como a peça encolhe durante a sinterização, ocorre atrito entre a placa do forno e a superfície inferior da peça, o que pode levar ao empenamento . Novamente, a comunicação com o operador da máquina Binder Jetting é fundamental para garantir resultados ideais.

Peças metálicas de Binder Jetting sinterizadas ou infiltradas terão uma porosidade interna (a sinterização produz 97% de peças densas, enquanto a infiltração aproximadamente 90%). Isso afeta as propriedades mecânicas das peças metálicas do Binder Jetting, pois os vazios podem levar ao início de trincas. A fadiga, a resistência à fratura e o alongamento na ruptura são as propriedades do material mais afetadas pela porosidade interna. Processos metalúrgicos avançados (como prensagem isostática a quente ou HIP) podem ser aplicados para produzir peças quase sem porosidade interna. Para aplicações onde o desempenho mecânico é crítico, DMLS ou SLM são as soluções recomendadas.

Uma vantagem do Binder Jetting de metal em comparação ao DMLS/SLM é a rugosidade da superfície das peças produzidas. Normalmente, as peças metálicas Binder Jetted têm uma rugosidade superficial de Ra 6 μm após o pós-processamento, que pode ser reduzida para Ra 3 μm se uma etapa de jateamento for empregada. Em comparação, a rugosidade da superfície impressa das peças DMLS/SLM é de aproximadamente Ra 12-16 μm. Isto é particularmente benéfico para peças com geometrias internas , por exemplo, canais internos, onde o pós-processamento é difícil.

A tabela abaixo resume as diferenças nas principais propriedades mecânicas das peças de Aço Inoxidável, impressas com Binder Jetting e DMLS/SLM:
Binder Jetting Aço Inoxidável 316 (sinterizado) Binder Jetting Aço Inoxidável 316 (bronze infiltrado) DMLS/SLM em aço inoxidável 316L Força de rendimento 214 MPa 283 MPa 470 MPa Alongamento na Ruptura 34% 14,5% 40% Módulo de elasticidade 165 GPa 135 GPa 180 GPa