Pulverbett und Tintenstrahlkopf 3D-Druck

Pulverbett- und Inkjet-3D-Druck, bekannt als „Binder-Jetting“ und „Drop-on-Powder“ – oder einfach „3D-Printing“ (3DP) – ist eine Rapid-Prototyping- und additive Fertigungstechnologie zur Herstellung von Objekten beschrieben durch digitale Daten wie eine CAD-Datei.

Geschichte
Diese Technologie wurde 1993 am Massachusetts Institute of Technology entwickelt und 1995 erhielt Z Corporation eine exklusive Lizenz. Der Ausdruck „dreidimensionales Drucken“ wurde von demselben geschützt.

Beschreibung
Wie bei vielen anderen additiven Fertigungsverfahren wird das zu bedruckende Teil aus vielen dünnen Querschnitten des 3D-Modells aufgebaut. Ein Tintenstrahldruckkopf bewegt sich über ein Pulverbett, wobei selektiv ein flüssigkeitsbindendes Material abgeschieden wird. Eine dünne Pulverschicht wird über den fertiggestellten Abschnitt verteilt, und der Vorgang wird wiederholt, wobei jede Schicht an dem Leisten haftet.

Wenn das Modell fertiggestellt ist, wird ungebundenes Pulver automatisch und / oder manuell in einem Prozess entfernt, der „Entpuderung“ genannt wird und kann in einem gewissen Ausmaß wiederverwendet werden.

Der entpulverte Teil könnte gegebenenfalls verschiedenen Infiltranten oder anderen Behandlungen unterzogen werden, um im Endteil erwünschte Eigenschaften zu erzeugen.

Technologie
Im 3D-Druck werden die Werkstücke Schicht für Schicht aufgebaut. Über 3D-Daten (z. B. CAD-Daten) wird die Geometrie berechnet, die für jede einzelne Schicht generiert werden soll. Beim 3D-Druck wird eine Pulver- oder Granulatschicht auf einen höhenverstellbaren Tisch aufgetragen und mit einem Bindemittel an den zum Werkstück gehörenden Stellen verklebt. Dies ist vergleichbar mit einem herkömmlichen Tintenstrahldrucker, bei dem ein Druckkopf verwendet wird, der anstelle von Tinte den Binder anbringt. Anschließend wird der Tisch um eine Schichtdicke abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgetragen. Dies wird wiederholt, bis das Werkstück vollständig geformt ist, das dann vollständig von dem umgebenden Pulver verdeckt wird. Danach wird das überstehende Pulver zur weiteren Verwendung zurückgeführt, das Werkstück wird aus dem Drucker entnommen und von Pulverresten befreit.

Das Verfahrensprinzip ähnelt somit dem selektiven Laserschmelzen, bei dem ein Metallpulver durch einen Laser lokal geschmolzen wird.

Materialien
In den ursprünglichen Implementierungen füllen Stärke und Gipsputz das Pulverbett, wobei das flüssige „Bindemittel“ hauptsächlich Wasser ist, um den Gips zu aktivieren. Das Bindemittel enthält auch Farbstoffe (zum Farbdrucken) und Additive zum Einstellen der Viskosität, der Oberflächenspannung und des Siedepunkts, um den Druckkopfspezifikationen zu entsprechen. Die resultierenden Gipsteile weisen typischerweise keine „Grünfestigkeit“ auf und erfordern eine Infiltration durch geschmolzenes Wachs, Cyanoacrylatkleber, Epoxidharz usw. vor der normalen Handhabung.

Während nicht notwendigerweise herkömmliche Tintenstrahltechnologie verwendet wird, können verschiedene andere Pulver-Bindemittel-Kombinationen eingesetzt werden, um Objekte durch chemische oder mechanische Mittel zu bilden. Die resultierenden Teile können dann verschiedenen Nachbehandlungsverfahren unterzogen werden, wie Infiltration oder Ausheizen. Dies kann beispielsweise erfolgen, um das mechanische Bindemittel zu beseitigen (z. B. durch Brennen) und das Kernmaterial zu verfestigen (z. B. durch Schmelzen) oder um ein Verbundmaterial zu bilden, das die Eigenschaften von Pulver und Bindemittel vermischt. Abhängig vom Material kann Vollfarbdruck eine Option sein oder auch nicht. Seit 2014 haben Erfinder und Hersteller Systeme zum Formen von Objekten aus Sand und Calciumcarbonat (die einen synthetischen Marmor bilden), Acrylpulver und Cyanacrylat, Keramikpulver und ein flüssiges Bindemittel, Zucker und Wasser (zur Herstellung von Süßigkeiten), usw., hergestellt Die ersten kommerziell erhältlichen Produkte, die die Verwendung von Graphen enthielten, waren ein pulverförmiges Komposit, das im Pulverbett-Tintenstrahlkopf-3D-Drucken verwendet wurde.

Die 3D-Drucktechnologie hat ein begrenztes Potenzial, Materialeigenschaften in einem einzigen Build zu variieren, ist jedoch im Allgemeinen durch die Verwendung eines gemeinsamen Kernmaterials begrenzt. In den ursprünglichen Z Corporation-Systemen werden Querschnitte typischerweise mit festen Konturen (die eine feste Hülle bilden) und einem inneren Muster mit geringerer Dichte gedruckt, um das Drucken zu beschleunigen und die Dimensionsstabilität sicherzustellen, wenn das Teil aushärtet.

Eigenschaften
Zusätzlich zu der volumetrischen Farbe durch die Verwendung von mehreren Druckköpfen und Farbbindern ist das 3D-Druckverfahren im Allgemeinen schneller als andere additive Fertigungstechnologien wie das Aufschmelzen von Modelliermaterial, das 100% des Bau- und Trägermaterials mit der gewünschten Auflösung erfordert . Beim 3D-Druck wird der Großteil jeder gedruckten Schicht unabhängig von ihrer Komplexität durch den gleichen schnellen Ausbreitungsprozess aufgebracht.

Wie bei anderen Pulverbetttechnologien sind Stützstrukturen in der Regel nicht erforderlich, da loses Pulver überhängende Strukturen und gestapelte oder hängende Objekte unterstützt. Die Eliminierung von gedruckten Trägerstrukturen kann die Bauzeit und den Materialverbrauch reduzieren und sowohl die Ausrüstung als auch die Nachbearbeitung vereinfachen. Das Entpudern selbst kann jedoch eine schwierige, unordentliche und zeitaufwendige Aufgabe sein. Einige Maschinen automatisieren daher das Entpuder- und Pulverrecycling soweit wie möglich. Da das gesamte Bauvolumen wie bei der Stereolithographie mit Pulver gefüllt ist, müssen Mittel zur Evakuierung eines hohlen Teils in der Konstruktion untergebracht werden.

Wie bei anderen Pulverbett-Prozessen ist die Oberflächengüte und -genauigkeit, die Objektdichte und – je nach Material und Prozess – die Festigkeit der Teile denen von Technologien wie der Stereolithographie (SLA) oder dem selektiven Lasersintern (SLS) unterlegen. Obwohl „Treppenstufen“ und asymmetrische Abmessungseigenschaften Merkmale des 3D-Drucks sind, wie bei den meisten anderen Schichtherstellungsprozessen, werden 3D-Druckmaterialien im Allgemeinen so konsolidiert, dass der Unterschied zwischen der vertikalen Auflösung und der Auflösung in der Ebene minimiert wird. Der Prozess eignet sich auch für die Rasterung von Schichten bei Zielauflösungen, ein schneller Prozess, der sich kreuzende Volumenkörper und andere Datenartefakte verarbeiten kann.

Pulverbett- und Tintenstrahl-3D-Drucker liegen normalerweise zwischen $ 50.000 und $ 2.000.000, aber es gibt ein Hobby-DIY-Kit, das ab $ 800 verkauft, um einen Verbraucher-FDM-Drucker in einen Pulver- / Tintenstrahldrucker umzuwandeln.

Vorteile und Nachteile
Theoretisch können alle Materialien verwendet werden, solange sie mit dem Bindemittel verklebt werden können. Insbesondere können Lebensmittel oder temperaturempfindliche Substanzen wie Medikamente verarbeitet werden. Darüber hinaus ist es möglich, verschiedene Bindemittel innerhalb eines einzelnen Werkstücks zu verwenden, um Bereiche mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften zu erzeugen. Als Bindemittel können zahlreiche Substanzen verwendet werden, z. Zum Beispiel solche auf der Basis von Wasser, Kunstharz oder lebenden Zellen. Im Prinzip müssen die Pulver nicht in jeder Schicht identisch sein.

Darüber hinaus ist beim Binder Jetting, ähnlich wie beim Lasersintern, kein Trägermaterial erforderlich, da das Werkstück während des Produktionsprozesses vom Pulver getragen wird.

Der 3D-Druck liefert jedoch kein sehr starkes Werkstück. Insbesondere bei Verwendung von Metallen als Werkstoffe müssen die Werkstücke anschließend aus dem Bindemittel entfernt und gesintert werden, um eine ausreichende Festigkeit zu gewährleisten. Dies führt zu einer Schrumpfung, so dass die endgültige Geometrie im Voraus schwierig einzustellen ist, aber dies ist im Wesentlichen mit genügend Erfahrung handhabbar.