バインダージェッティング 3D プリントについて:原理、利点、制限事項

このバインダー ジェッティング 3D プリンティングの紹介では、このテクノロジーの基本原理について説明します。この記事を読むと、バインダー ジェッティング プロセスの基本的な仕組みと、それがその利点と制限にどのように関係するかを理解できるようになります。

バインダーのジェッティングはどのように機能しますか?

バインダーの噴射プロセスがどのように機能するかは次のとおりです。

I. まず、再コーティング ブレードでビルド プラットフォーム上にパウダーの薄い層を広げます。

II.次に、インクジェット ノズル (デスクトップ 2D プリンタで使用されるノズルと同様) を備えたキャリッジがベッド上を通過し、粉末粒子を結合する結合剤 (接着剤) の液滴を選択的に堆積させます。フルカラー バインダー ジェッティングでは、このステップ中にカラー インクも堆積されます。各液滴のサイズは直径約 80 μm であるため、良好な解像度を実現できます。

Ⅲ．層が完成すると、ビルド プラットフォームが下に移動し、ブレードが表面を再コーティングします。その後、パーツ全体が完了するまでこのプロセスが繰り返されます。

IV.印刷後、パーツはパウダーでカプセル化され、硬化して強度が得られるまで放置されます。その後、パーツをパウダー ビンから取り出し、結合していない余分なパウダーを加圧空気で取り除きます。

材料によっては、通常、後処理ステップが必要です。たとえば、金属バインダー ジェッティング パーツは焼結する必要があります。 （またはその他の熱処理） または浸透 低融点金属（通常は青銅）を使用します。フルカラーのプロトタイプには、色の鮮やかさを向上させるためにアクリルが浸透し、コーティングされています。砂型鋳造の中子と型は通常、3D プリント後にすぐに使用できます。

これは、部品がプリンタから排出されるときに「緑色」の状態になっているためです。バインダー ジェッティング パーツは緑色の状態です。 機械的特性が悪く (非常に脆い)、気孔率が高いです。

バインダージェッティング3Dプリンターの概略図

バインダージェッティング 3D プリントの特徴は何ですか?

プリンタパラメータ

バインダー ジェッティングでは、ほぼすべてのプロセス パラメータが機械メーカーによって事前に設定されています。

一般的なレイヤーの高さ 材料によって異なります。フルカラー モデルの場合、一般的な層の高さは 100 ミクロン、金属部品の場合は 50 ミクロン、砂型鋳造金型材料の場合は 200 ～ 400 ミクロンです。

他の 3D プリントプロセスに比べてバインダージェッティングの主な利点は、 接着が室温で行われることです。 。これは、熱影響に関連する寸法歪み (FDM、SLS、DMSL/SLM の反りや SLA/DLP のカールなど) がバインダー ジェッティングでは問題にならないことを意味します。

その結果、ビルドボリュームは バインダー ジェッティング マシンは、すべての 3D プリント技術と比較して最大のものの 1 つです (最大 2200 x 1200 x 600 mm)。これらの大型機械は、一般的に砂型鋳型の製造に使用されます。メタル バインダー ジェッティング システムは通常、DMSL/SLM システムよりも大きな造形体積 (最大 800 x 500 x 400 mm) を備えており、一度に複数の部品を並行して製造できます。ただし、後処理ステップが含まれるため、パーツの最大サイズは推奨長さ 50 mm までに制限されます。

さらに、バインダージェッティングにはサポート構造が不要です。 :周囲のパウダーがパーツに必要なすべてのサポートを提供します (SLS と同様)。これは、メタル バインダー ジェッティングと他の金属 3D プリンティング プロセスとの主な違いであり、通常、サポート構造を広範囲に使用する必要があり、幾何学的な制限がほとんどなく、自由形状の金属構造を作成できます。後のセクションで説明するように、金属バインダーのジェッティングにおける幾何学的不正確さは、主に後処理ステップに起因します。

バインダー ジェッティングのパーツはビルド プラットフォームに取り付ける必要がないため、ビルド ボリューム全体を利用できます。したがって、バインダージェッティングは低〜中バッチ生産に適しています。 。バインダー ジェッティングの機能を最大限に活用するには、マシンのビルド ボリューム全体を効果的に充填する方法 (ビン パッキング) を検討することが非常に重要です。

寸法精度の高い微細な穴を備えた小型金属バインダージェッティング。

画像提供：Digital Metal

フルカラーバインダーのジェッティング

バインダー ジェッティングでは、マテリアル ジェッティングと同様の方法でフルカラー 3D プリント部品を作成できます。低コストのため、フィギュアや地形図の 3D プリントによく使用されます。

フルカラーモデルは、砂岩パウダーまたは PMMA パウダーを使用して印刷されます。メイン プリントヘッドが最初に結合剤を噴射し、一方、セカンダリ プリント ヘッドがカラー インクを噴射します。 2D インクジェット プリンタと同様の方法で、異なる色のインクを組み合わせて、非常に多くの色を生成できます。

印刷後、部品はシアノアクリレート (瞬間接着剤) または別の浸透剤でコーティングされ、部品の強度が向上し、色の鮮やかさが向上します。その後、強度と色の外観をさらに向上させるために、二次エポキシ層を追加することもできます。これらの追加手順を行ったとしても、フルカラーのバインダー ジェッティング パーツは非常に脆いため、機能的な用途には推奨されません。

フルカラーのプリントを作成するには、カラー情報を含む CAD モデルを提供する必要があります。カラーは、面ごとのアプローチまたはテクスチャ マップとしての 2 つの方法で CAD モデルに適用できます。面ごとにカラーを適用するのは迅速かつ簡単ですが、テクスチャ マップを使用すると、より多くの制御と詳細を実現できます。具体的な手順については、ネイティブ CAD ソフトウェアを参照してください。

バインダージェッティングを使用して砂岩に印刷されたフルカラープリント

砂型鋳造の中子と鋳型

大きな砂型鋳造パターンの製造は、バインダー ジェッティングの最も一般的な用途の 1 つです。プロセスの低コストとスピードにより、従来の技術では製造が非常に困難または不可能な精巧なパターン設計に最適なソリューションとなります。

中子と型は通常、砂またはシリカで印刷されます。印刷後、通常、型は直ちに鋳造の準備が整います。鋳造された金属部品は、通常、鋳造後に型を壊して取り出されます。これらの金型は 1 回しか使用されませんが、従来の製造と比較して時間とコストが大幅に節約されます。

エンジン ブロックの鋳造に使用される複数の部品からなる砂型鋳造アセンブリ。

画像提供：ExOne

メタルバインダーのジェッティング

メタルバインダーのジェッティングは最大 10 倍経済的です。 他の金属 3D プリンティング プロセス (DMSL/SLM) よりも優れています。さらに、Binder Jetting のビルド サイズはかなり大きく、 製造されたパーツにはサポート構造が不要です。 印刷中に複雑な形状を作成できるようになります。このため、メタル バインダー ジェッティングは低～中程度の金属生産にとって非常に魅力的な技術となります。 .

金属バインダー ジェッティング パーツの主な欠点はその機械的特性であり、ハイエンドの用途には適していません。それにもかかわらず、製造された部品の材料特性は、金属部品の大量生産に最も広く使用されている製造方法の 1 つである金属射出成形で製造された金属部品と同等です。

浸透と焼結

メタルバインダーの噴射パーツには、 印刷後に浸透などの二次プロセスが必要です。 または焼結 印刷されたままのパーツは基本的にポリマー接着剤で結合された金属粒子で構成されているため、良好な機械的特性を実現します。

侵入: 印刷後、パーツは炉に入れられ、バインダーが焼き尽くされてボイドが残ります。この時点で、パーツは約 60% 多孔質になります。次に、ブロンズを使用して毛細管現象によって空隙に浸透させ、その結果、気孔率が低く、強度の高い部品が得られます。

焼結: 印刷が完了した後、部品は高温の炉に入れられ、そこでバインダーが焼き尽くされ、残った金属粒子が一緒に焼結 (結合) され、その結果、気孔率が非常に低い部品が得られます。

オイルとガスのステーターはステンレススチールから印刷され、ブロンズが浸透しています。バインダージェット部品に典型的な表面仕上げに注目してください。

画像提供：ExOne

金属バインダーの噴射特性

精度と公差はモデルによって大きく異なり、形状に大きく依存するため予測が困難です。たとえば、長さが 25 ～ 75 mm までの部品は溶浸後に 0.8 ～ 2% 収縮しますが、それより大きな部品の推定平均収縮率は 3% です。焼結の場合、部品の収縮は約 20% です。パーツの寸法は収縮を補正されます。 機械のソフトウェアによって調整されますが、不均一な収縮が問題となる可能性があるため、設計段階でバインダー ジェッティング マシンのオペレーターと協力して考慮する必要があります。

後処理ステップも不正確さの原因となる可能性があります。たとえば、焼結中、部品は高温に加熱され、柔らかくなります。この柔らかい状態ではサポートされていない部分ができてしまいます。 自重で変形する可能性があります。さらに、焼結中に部品が収縮するため、ここで炉のプレートと部品の下面の間に摩擦が発生し、 それが反りを引き起こす可能性があります。 。繰り返しになりますが、最適な結果を確保するには、バインダー ジェッティング マシンのオペレーターとのコミュニケーションが重要です。

焼結または溶浸したバインダー ジェッティング金属部品には内部多孔性が生じます。 (焼結では 97% の緻密な部品が生成され、溶浸では約 90%)。空隙は亀裂の発生につながる可能性があるため、これは金属バインダー噴射部品の機械的特性に影響を与えます。疲労、破壊強度、および破断伸びは、内部気孔率によって最も影響を受ける材料特性です。高度な冶金プロセス (熱間静水圧プレスや HIP など) を適用すると、内部気孔がほとんどない部品を製造できます。ただし、機械的パフォーマンスが重要なアプリケーションの場合は、DMLS または SLM が推奨されるソリューションです。

DMLS/SLM と比較したメタルバインダージェッティングの利点は表面粗さです。 生産された部品の一部。通常、金属バインダーが噴射された部品の表面粗さは後処理後に Ra 6 μm になりますが、ビードブラスト工程を使用すると Ra 3 μm まで下げることができます。比較すると、DMLS/SLM 部品の印刷されたままの表面粗さは約 Ra 12 ～ 16 μm です。これは内部形状を持つ部品に特に有益です。 例:後処理が難しい内部チャネルなど。

以下の表は、バインダー ジェッティングと DMLS/SLM で印刷されたステンレス スチール パーツの主な機械的特性の違いをまとめたものです。

バインダー ジェッティング ステンレス鋼 316 (焼結) バインダー ジェッティング ステンレス鋼 316 (ブロンズ浸透) DMLS/SLM ステンレス鋼 316L 降伏強さ 214 MPa 283 MPa 470 MPa 破断伸び 34% 14.5% 40% 弾性係数 165GPa 135GPa 180GPa