Струйная печать металлом с применением связующего (Metal Binder Jetting, MBJ) – инновационная технология аддитивного производства, получившая в последние годы широкое распространение. Благодаря высокой производительности, точности и экономической эффективности она обладает большим потенциалом для кардинальной трансформации производственных отраслей.
В статье рассматриваются принцип действия технологии, этапы печати и постобработки, расходные материалы, примеры внедрения, а также приводится сравнение с другим распространенным методом 3D‑печати металлами – SLM.
История MBJ‑технологии началась в 1993 году, когда Массачусетский технологический институт разработал процесс на основе струйной печати для создания трехмерных объектов из металлических порошков. В 1996-м компания Extrude Hone Corporation получила эксклюзивную лицензию и занялась разработкой и коммерциализацией MBJ‑систем.
Вы читаете сокращенную версию статьи. Полный вариант – в нашем блоге
Что такое Metal Binder Jetting и как работает технология
Metal Binder Jetting – технология 3D‑печати порошковыми металлическими и керамическими материалами с нанесением связующего вещества.
Процесс включает:
- нанесение тонкого слоя металлического порошка на рабочую платформу;
- выборочное нанесение связующего с помощью печатающей головки в заданных областях;
- агломерацию порошка под действием связующего с формированием твердой структуры.
Цикл повторяется слой за слоем до получения готовой детали или литейной формы.
По завершении печати изделия требуют постобработки, которая может включать удаление избыточного порошка, спекание, термообработку для повышения плотности и механических свойств. Для достижения требуемой точности и качества поверхности может применяться чистовая обработка поверхности и мехобработка.
Материалы для MBJ‑принтеров
Выбор расходных материалов определяется их свойствами – прочностью, коррозионной стойкостью и термостойкостью. Среди неметаллических материалов также применяются различные виды керамики, используемые в специализированных областях.
Процесс Metal Binder Jetting поддерживает широкий спектр материалов, в том числе:
- Металлы – нержавеющие и инструментальные стали, титан и титановые сплавы, никелевые сплавы, алюминий, медь, бронза, кобальт-хромовые сплавы, инконель, вольфрам, драгоценные металлы (например, золото и серебро);
- Керамика – карбид вольфрама, карбид циркония, карбид бора, оксид алюминия, диоксид циркония, нитрид алюминия, титанат бария, титанат цирконата свинца, алмаз, глинозем, стекло;
- Композиты/сплавы – 316L с пропиткой медью, 420 с пропиткой медью, вольфрам с пропиткой медью, Invar с вольфрамом, карбид бора с алюминием, карбид кремния с алюминием, графит с пропиткой кремнием.
Этапы производства
- Подготовка порошка: просушка, просеивание, контроль фракции/влажности/состава, загрузка в принтер.
- 3D‑печать детали, очистка.
- Термообработка (полимеризация связующего в промышленной сушильной печи).
- Финишная очистка детали воздушным методом.
- Спекание изделия в муфельной или вакуумной печи.
- Контроль геометрии и качества готового изделия.
Постобработка изделий
Отверждение
Первый этап постобработки, направленный на повышение прочности «зеленых» (неспеченных) заготовок. Детали выдерживаются в печи при температуре около 200 °C в течение нескольких часов.
Спекание
Несмотря на отверждение, изделия остаются высокопористыми. Спекание является следующим этапом, направленным на снижение пористости. Детали подвергаются термической обработке в печи с контролируемой атмосферой при температуре около 100 °C в течение 24‑36 часов, в результате чего связующее выгорает, а металлические частицы спекаются между собой. Это приводит к получению прочных металлических изделий с низкой пористостью. Однако необходимо учитывать неравномерную усадку в процессе спекания.
Инфильтрация
Для повышения плотности пустоты заполняются расплавленным металлом (чаще всего бронзой), что значительно улучшает механические свойства.
Финишная обработка
Включает полировку и нанесение покрытий (к примеру, золота или никеля) для улучшения внешнего вида и свойств поверхности.
Выгоды MBJ как производственной технологии
Технология струйной печати металлом с нанесением связующего обладает рядом уникальных преимуществ, делающих ее привлекательной для промышленного применения. Прежде всего, в отличие от других методов металлической 3D‑печати, она не предполагает плавления порошка, что устраняет проблемы, связанные с остаточными напряжениями. А поскольку изготавливаемые детали окружены несвязанным порошком, нет необходимости в поддержках, и объем постобработки снижается.
MBJ‑принтеры, как правило, стоят меньше, чем оборудование на базе других технологий 3D‑печати металлами, так как в них не используются дорогостоящие лазеры или электронные пучки. Возможность применять более дешевые и доступные порошки, предназначенные для технологии инжекционного формования металла (MIM), дополнительно снижает эксплуатационные издержки.
Технология также позволяет изготавливать высокоточные детали с механическими свойствами, сопоставимыми со свойствами изделий, полученных традиционными методами. Еще одно важное преимущество – высокая скорость процесса, что делает технологию масштабируемой и пригодной для серийного производства.
Ограничения
На стадии формования геометрических ограничений практически нет, но будут ограничения, связанные с материалами, порошковой очисткой, спеканием, последующей обработкой и полировкой. В то же время имеют место сложности в таких аспектах, как контроль плотности, качества поверхности и механических свойств, что требует дальнейших исследований и улучшений.
Уровень точности изделия в мкм зависит от размерности порошка, вида спекания и т.д. Если процесс спекания проходит с пропиткой расплавом, то усадка обычно составляет порядка 1 %. Если спекание без пропитки расплавом, то изделия дают усадку до 20 %.
Сферы применения и примеры изделий
MBJ широко применяется в аэрокосмической, автомобильной, медицинской промышленности и других отраслях для быстрого прототипирования, мелкосерийного производства и кастомизации изделий.
- Порошковая металлургия: функциональные детали, фитинги, сопла, корпусные изделия
- Инструментальная промышленность: режущие пластины, фрезы, инструмент
- Пищевая промышленность и фармацевтика: гидрогели и питательные продукты индивидуальной формы
- Производство литьевых и пресс‑форм: формы для литья под давлением, стекольной промышленности, РТИ
- 3C‑электроника: радиаторы, корпусные изделия, микроизоляторы
- Производство огнеупорных изделий: огнеупорная плитка, изоляторы, нагреватели и т.д.
По мере развития технологии Metal Binder Jetting область ее применения продолжает расширяться, что делает ее важным инструментом современного аддитивного производства в различных отраслях.
Практические кейсы: опыт iQB
Крыльчатка насоса из жаропрочного сплава
Задачи проекта
- Экономичное производство крыльчаток сложной геометрии для топливных и гидравлических насосов в авиации
- Требовалось сочетание высокой прочности и точности, а также снижение затрат по сравнению с SLM‑печатью
Этапы работы: на установке CUBRUS P-MBJ 400 из суперсплава на основе никеля напечатана партия крыльчаток с внутренними полостями, затем выполнены спекание и финишная механическая обработка.
Результаты
- Себестоимость детали снижена на 25‑35 % по сравнению с SLM при серийности от 20‑50 шт. за счет высокой производительности MBJ‑принтера
- Получена монолитная деталь с улучшенными усталостными характеристиками (отсутствие сварных швов и внутренних напряжений, характерных для SLM)
- Механические свойства после постобработки соответствуют авиационным стандартам
MBJ‑печать в медицине: как сократить время изготовления инструмента почти в 3 раза
Задача: печать с последующим спеканием деталей инструмента для установки ножки локтевого сустава из нержавеющей стали
Решение: применение MBJ‑принтера CUBRUS P‑MBJ 400
Результаты
- Сокращение цикла изготовления с 2‑х недель до 5 дней
- Получение стерильной детали заданной сложной формы благодаря высокотемпературному процессу спекания
- Снижение стоимости конечного изделия на 15 %
Также читайте: Подходит ли вам Binder Jetting? Руководство по печати сложных песчаных форм
MBJ или SLM? Сравнение технологий
Metal Binder Jetting (MBJ) и Selective Laser Melting (SLM) – две широко применяемые технологии 3D‑печати металлических деталей.
Обе технологии имеют свои уникальные преимущества и подходят для различных задач. Выбор между MBJ и SLM определяется конкретными требованиями к изделию, включая механические характеристики, точность, производительность и стоимость производства.
MBJ отличается более высокой скоростью и экономичностью, что делает метод оптимальным для прототипирования и производства деталей с умеренными требованиями к механическим свойствам.
SLM, в свою очередь, является предпочтительным выбором для изготовления высоконагруженных изделий с высокими требованиями к прочности, плотности и точности.
При серийном изготовлении MBJ‑принтеры по производительности как минимум на порядок превосходят SLM‑машины.
Таким образом, MBJ – лучший выбор с точки зрения сложной геометрии без поддержек, массового производства и экономии расходов. SLM больше подходит, когда в приоритете высокая точность, максимальные прочность и плотность для создания высоконагруженных деталей.
Итоги: кратко
С момента своего появления в начале 1990‑х годов технология Metal Binder Jetting прошла значительный путь. Сегодня она становится одним из ключевых методов производства сложных, высококачественных изделий из металлических и керамических материалов с высокой степенью кастомизации и эффективности. Дальнейшее развитие материалов, процессов печати, постобработки и контроля качества будет способствовать более широкому внедрению MBJ‑принтеров.
Полностью статья доступна в нашем блоге 3D-экспертов
Подберем оптимальное 3D‑решение для оптимизации вашего производства или научно-исследовательского процесса. Опытные специалисты готовы обсудить ваши задачи