Experteninterview: Wieso Sie Binder-Jetting in Ihr Unternehmen integrieren sollten

Binder Jetting ist eines der verschiedenen additiven Fertigungsverfahren, die derzeit auf dem Markt sind. Es funktioniert ähnlich wie andere 3D-Druckverfahren, basiert aber auf der Verwendung eines flüssigen Bindemittels in Form von Mikrotropfen und Pulver – sei es Metall, Sand, Keramik oder sogar Verbundwerkstoffe. Schicht für Schicht wird das gewünschte Teil hergestellt, und je nach verwendetem Bindemittel und Pulver können Nachbearbeitungsschritte wie das Sintern erforderlich sein. Das 3D-Druckverfahren ist bekannt für seine Flexibilität in Bezug auf Materialien und Design sowie für seine Fähigkeit, große Teile herzustellen. Das macht es zu einer Schlüsseltechnologie für viele Hersteller. Doch was ist zu beachten, wenn ein Unternehmen Binder Jetting integrieren möchte? Was sind die Stärken und Herausforderungen der Technologie? Unsere Experten haben einige Fragen beantwortet, um etwas Licht ins Dunkel zu bringen!

Unser erster Experte ist Andreas Müller, Produktmanager bei ExOne. Sein Hauptaugenmerk liegt auf der Entwicklung und Verbesserung der Fähigkeiten von Sand-3D-Druckmaschinen. ExOne ist einer der führenden Hersteller von Binder-Jetting-3D-Druckern, insbesondere von Systemen, die Sand verwenden. Unser zweiter Experte ist Lefteris Havouzis, Geschäftsführer von Lino3D. Das griechische Unternehmen unterstützt derzeit Unternehmen und Hersteller bei ihren additiven Fertigungsprojekten dank seines Fachwissens über verschiedene Verfahren, darunter das Binder Jetting von Metall. Unser letzter Experte ist Vincent Poirier, Gründer und Präsident von Novadditive, dem ersten kundenspezifischen Produktionszentrum für Keramik im Multiprozess-3D-Druck.

Wie funktioniert Binder Jetting?

Wie bei jedem additiven Fertigungsverfahren wird auch beim Binder Jetting ein Teil durch Übereinanderlegen von Materialschichten hergestellt. In diesem Fall handelt es sich um ein Pulverbett mit idealerweise kugelförmigen Körnern mit einem Durchmesser von einem Mikrometer. Damit die Pulverpartikel aneinander haften, wird mit einem Druckkopf ein Bindemittel an den gewünschten Stellen auf die Platte gesprüht. Der Vorgang wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das endgültige Objekt entstanden ist. Andreas Müller von ExOne fügt hinzu: „Ähnlich wie beim Bedrucken von Papierbögen wird der Prozess anhand einer Karte aus einer digitalen Designdatei Schicht für Schicht wiederholt, bis das Objekt vollständig ist. Nach dem Druck kann ein ganzer mit Teilen gefüllter Auftragskasten in etwa einem halben Tag gedruckt werden, die Teile können aus dem Druckbereich entfernt werden. Je nach verwendetem Material und Bindemittel können zusätzliche Aushärtungs- und Nachbearbeitungsschritte erforderlich sein.“

Wie Sie sehen können, werden zwei Materialien benötigt, damit das Verfahren richtig funktioniert: das 3D-Druckmaterial und das Bindemittel. Besonders interessant am Binder-Jetting ist die Vielfalt der auf dem Markt erhältlichen Materialien.

Beim Jetting wird das Bindemittel selektiv auf das Material aufgebracht, in diesem Beispiel Sand (Bild: ExOne)

Materialflexibilität beim Binder Jetting

Sand Binder Jetting ist mit Metall-, Keramik-, Sand- und Verbundpulvern kompatibel. Es ist daher eine Technologie, die für viele Arten von Anwendungen geeignet ist – zum Beispiel ist Sand Binder Jetting für das Design von Gießereikernen oder -formen beliebt, da es den Einsatz von Werkzeugen vermeidet und größere Designfreiheit bietet. Andreas Müller erklärt: „Beim ExOne Sand-3D-Druck werden Gießereisand und Bindemittel verwendet, um Formen und Kerne für den Metallguss herzustellen. Sand wird auch in andere komplexe Designs gedruckt und mit Harz infiltriert, um haltbare Endverbrauchsteile zu bilden. Die Kombination aus Druckmedien und Bindemittel wird für jede Anwendung individuell angepasst. Unsere 3D-Drucker verarbeiten eine Vielzahl von Sandgussmaterialien, darunter Quarzsand und Keramiksand. Verschiedene Bindemittel wie Furan, Phenol und anorganische Bindemittel stehen zur Verfügung, um eine Vielzahl von Legierungen von Aluminium und Magnesium bis hin zu Eisen und Stahl zu gießen.“

Wenn wir uns nun den Metallen zuwenden, gibt es die gleiche Vielfalt an Materialien. Lefteris Havouzis sagt: „Im Allgemeinen können alle Legierungen effektiv gesintert werden (hauptsächlich Eisenbasislegierungen wie Edelstahl, Werkzeugstähle, Nickelbasis-Superlegierungen, Chrom-Kobalt-Legierungen sowie schwer schweißbare Legierungen wie feuerfeste Legierungen). Der wichtigste Punkt ist, dass das Binder-Jetting bei schwer schweißbaren Legierungen funktionieren kann, wo Verfahren mit einem Laser versagen.“

Obwohl häufig für indirekte Prozesse verwendet, kann das Sandbindemittel-Jetting auch dauerhafte Teile für den Endverbrauch herstellen (Bild: ExOne)

Denken Sie daran, dass nach dem Druck ein Sinterungsschritt erforderlich ist. Unmittelbar nach dem Verlassen des 3D-Druckers ist das Teil, das oft als Grünteil bezeichnet wird, sehr zerbrechlich und porös und muss wärmebehandelt werden, um seine endgültigen mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Im Gegensatz zu anderen Metallverfahren, bei denen Pulver verwendet werden, sind beim Metallbinder-Jetting keine Druckstützen erforderlich, da das umgebende Pulver das Teil stützt.

Schließlich gehört auf der Keramikseite auch das Binder-Jetting zu den von den Herstellern eingesetzten Technologien. Vincent Poirier erklärt: „Theoretisch sind alle Keramiken mit dem Binder-Jetting-Verfahren kompatibel, vorausgesetzt, es wurde ein geeignetes Bindemittel entwickelt und es können Pulver mit kugelförmigen Körnern oder mit korrekter Verteilung hergestellt werden. In der Praxis müssen die für dieses Verfahren entwickelten Keramiken einen Vorteil gegenüber konkurrierenden additiven Fertigungstechnologien aufweisen.“ Die Anwendung ist also der Schlüssel, wenn man sich für die keramische Pulverbindung entscheidet: Man muss ein sehr spezifisches Projekt vor Augen haben, sonst ist die Wahl dieses Verfahrens nicht gerechtfertigt. Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Borkarbid oder infiltriertes Siliziumkarbid sind allesamt Keramiken, die beim Binder-Jetting verwendet werden.

Das Sandbindemittel-Jetting wird häufig zur Herstellung von Formen und Kernen verwendet (Bild: BMW Group)

Vorteile und Limitationen des Binder Jettings

Wie Sie sehen, ist einer der Hauptvorteile des Pulverbeschichtens seine Materialkompatibilität. Es ist zu beachten, dass alles relativ ist: Die Auswahl an Metallen ist zum Beispiel begrenzter als bei Laserverfahren. Aber es ist interessant, je nach gewünschter Anwendung mit der Kombination aus Pulver und Bindemittel spielen zu können.

Es ist auch eine Technologie, die die Herstellung großer Teile ermöglicht – natürlich abhängig von der Kapazität der Maschinen. Das Binder-Jetting-Verfahren druckt bei Raumtemperatur, so dass die Gefahr thermischer Verformung ausgeschlossen ist – es gibt zum Beispiel keinen Verzug. Der Benutzer kann sich daher größere und komplexere Teile bedienen. Lefteris Havouzis von Lino3D fügt hinzu: „Wenn wir mit anderen Technologien in der Metallindustrie vergleichen, sollten wir generell eine größere Designfreiheit, eine Reduzierung der Herstellungs- und Vermarktungszeit aufgrund des Fehlens von Werkzeugen und eine größere Komplexität des Produktionsmixes erwähnen, den wir erreichen können. Mit ein und demselben Druck können wir Dutzende von verschiedenen Chargen ohne Änderungen drucken.“

Neben dem Volumen der Teile ist auch die relative Geschwindigkeit und Einfachheit des Prozesses zu nennen. Andreas Müller kommentiert: „Das Binder Jetting ist unter den additiven Fertigungsverfahren gerade für seinen hohen volumetrischen Ausstoß bekannt. Unter den additiven Fertigungstechnologien ist es auch diejenige, die mit ihrem einfachen Ansatz und ihrer Geschwindigkeit dem traditionellen Druck am ähnlichsten ist. Das Bindemittel funktioniert wie eine Tinte, die sich über die Pulverschichten bewegt und wie beim Drucken auf Papier das Endprodukt bildet. Im Gegensatz dazu werden bei vielen anderen Formen des 3D-Drucks Teile mit einem einzigen Punkt – oft einem Laser oder einer Düse – hergestellt, der das Material extrudiert, schmilzt oder zusammenschweißt. Solche Verfahren erfordern erheblich mehr Material und Zeit, um jedes Teil mit einem einzigen Punkt Schicht für Schicht zu erzeugen.“ Im Gegensatz dazu können Binder-Jetting-Maschinen viele Bindertropfen in einem Durchgang auftragen, was die Fertigungszeit verkürzt und die Produktivität erhöht. Beachten Sie jedoch, dass Nachbearbeitungsschritte den Prozess verlängern können.

Die Verwendung von Keramik erfordert eine Nachbearbeitung (Bild: WZR)

Die Nachbearbeitung ist eine der größten Einschränkungen des Binder-Jetting, insbesondere bei der Verwendung von Metall- und Keramikpulvern. Sie müssen Entbinderungs- und Sinterungsschritte durchlaufen, die nicht nur Zeit kosten, sondern auch das endgültige Teil beeinflussen. Lefteris von Lino3D sagt: „Bei der Betrachtung der Technologie ist es wichtig zu erwähnen, dass die kritische Phase des Binder Jetting die Sinterphase ist, in der mehrere Faktoren berücksichtigt werden müssen. Es kann also sehr interessant sein, mit einem Partner zusammenzuarbeiten, der den gesamten Wertstrom verwalten kann.“

Das Ergebnis wird ein poröseres Teil mit schwächeren mechanischen Eigenschaften sein. Vincent Poirier fasst zusammen: „Je mehr das Pulver die Fähigkeit hat, sich gut abzusetzen, desto weniger porös ist die Vorform und damit das keramische Teil. Es ist daher wichtig, das richtige Pulver zu wählen und sich für kugelförmige Pulver zu entscheiden.“

Ein paar letzte Ratschläge

Das wichtigste Stichwort ist INTEGRATION: Binder Jetting ist, wie jede andere Fertigungstechnologie, keine Einzellösung, sondern muss, um sein Potenzial auszuschöpfen, in das Ökosystem des Unternehmens integriert werden, vom Design bis zur Nachbearbeitung. – Lefteris Havouzis

Der 3D-Sanddruck ist eine flexible Produktionstechnologie. Er eignet sich als schnelles Fertigungsverfahren für die Herstellung von Sandgusswerkzeugen und kann auch für die Herstellung einzigartiger Endprodukte verwendet werden. Wichtig ist die richtige Kombination aus Technologie und Material, um den jeweiligen Anforderungen gerecht zu werden. Bei ExOne bieten wir einen Rundum-Sand-3D-Druck-Support mit einem Service-Center für unsere europäischen Kunden direkt hier in Deutschland, wo wir die Kunden durch die verschiedenen Optionen führen und die beste Lösung für ihre Produktionsherausforderungen evaluieren. – Andreas Müller

Für Keramik muss man eine sehr spezifische Anwendung haben, die diese Technologie eindeutig erfordert. Wie bei anderen keramischen additiven Fertigungstechnologien können wir nicht alle Fälle abdecken. Darüber hinaus ist es wichtig zu verstehen, dass das Know-how nicht nur im Druck liegt. Das keramische Know-how ist auch wichtig, um beispielsweise die Brennzyklen und die Auswirkungen der Sinterschrumpfung auf die fertigen Produkte zu beherrschen. – Vincent Poirier

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*Titelbildnachweis: Tecnalia