Binder Jetting, czyli jedna z wielu technik tworzenia przestrzennych wydruków

XII wydanie Dni Druku 3D było doświadczeniem pod wieloma względami wyjątkowym. Naszą relację z eventu przeczytać można tutaj i tutaj. Wydarzenie, choć skromniejsze niż zazwyczaj (co wynikało z oczywistych czynników stricte zewnętrznych), umożliwiło jego uczestnikom bliżej przyjrzeć się branży druku przestrzennego. Wśród mnogości prezentowanych przez rozmaitych producentów m.in. urządzeń drukujących i filamentów jedno ze stoisk wyróżniło się spośród tego zaszczytnego grona, prezentując możliwości sprzętu opierającego swoje działanie na technice innej niż FDM czy SLA. A technologią tą jest... Binder Jetting.

Binder Jetting. Mechanizm druku 3D

W bardzo dużym skrócie metoda Binder Jetting opiera się na łączeniu sproszkowanego materiału bazowego przy pomocy płynnego spoiwa. Pojedynczy, najmniejszy obiekt będący kombinacją ziaren proszku oraz spajających je substancji nosi nazwę woksela. Tym enigmatycznym terminem określa się trójwymiarowe piksele – przestrzenne figury mające kształt sześcianów, z których buduje się struktury o większej złożoności. Pojedyncza warstwa tworzonego wydruku stanowi zbiór wielu takich elementarnych, przestrzennych obiektów, z których każdy składa się z cząstek sproszkowanego materiału połączonych ze sobą spoiwem. Wykonawszy jedną omawianą powłokę, stół urządzenia drukującego ulega obniżeniu. Ponownie zostaje on pokryty proszkiem, którego ziarenka sklejane są nanoszoną przez głowicę drukarki substancją spajającą. Proces powtarzany jest do momentu uzyskania efektu końcowego w postaci gotowego wydruku. Tak przygotowany, trójwymiarowy obiekt spędza pewien okres w pojemniku ze sproszkowanym materiałem. Płynna substancja spajająca ulega wówczas całkowitemu zestaleniu, co korzystnie wpływa na trwałość wytworzonego przedmiotu. Uzyskawszy oczekiwaną wytrzymałość, wydruk oczyszczony zostaje z ziarenek, które nie weszły w interakcję ze spoiwem, wystawiwszy wydrukowany obiekt na ekspozycję sprężonego powietrza.

Schematyczny rysunek przedstawiający przykładową strukturę woksela. Większe kulki oznaczają ziarna sproszkowanego materiału. Drobiny mniejsze symbolizują krople substancji spajającej.

Materiały budulcowe wydruków 3D tworzonych techniką Binder Jetting

Materiałami sproszkowanymi wykorzystywanymi w drukowaniu przestrzennym metodą Binder Jetting są m.in. piaski oraz metale. Obiekty utworzone z proszków metalicznych po ich wydrukowaniu poddaje się działaniu wysokiej temperatury. Ma to na celu usunięcie spoiwa spomiędzy drobin metalicznych i lepsze utrwalenie wydruku. Powstałe w wyniku obróbki termicznej przestrzenie "łatane są" odpowiednimi wypełniaczami. Oczywiście technika Binder Jetting umożliwia tworzenie wydruków kolorowych. Za barwienie warstwy proszek-spoiwo odpowiada zwykle oddzielna, wyspecjalizowana w tym celu dysza.

Uproszczony schemat urządzenia opierającego swoje działanie na technologii Binder Jetting. Poszczególne cyfry oznaczają kolejno: 1. Walec przesuwający sproszkowany materiał, 2. Głowica drukująca, 3. Platforma z proszkiem, 4. Platforma z drukowanym obiektem, 5. Drukowany przedmiot, 6. Strumień kropli spoiwa. Strzałki w kolorze wodnym ukazują ruch poszczególnych platform w trakcie procesu druku.

Druk 3D bez struktur podporowych, czyli o zaletach techniki Binder Jetting słów kilka

Druk struktur cechujących się dużym poziomem skomplikowania opierający się na wykorzystaniu technologii Fused Deposition Modelling bywa problematyczny. Rozwiązań tej kwestii jest co najmniej kilka. Pierwszą formę zaradzenia temu problemowi stanowi podział obiektu na mniej złożone elementy, wydrukowanie ich, a następnie połączenie tak przygotowanych komponentów w finalny przedmiot. Innym rozwiązaniem jest uwzględnienie w projekcie trójwymiarowego modelu struktur podporowych. Elementy te mogą być wykonane zarówno z materiału bazowego, tj. takiego, z którego utworzony zostanie cały wydruk, jak również z tworzywa specjalnie do tego celu wyprodukowanego (HIPS, PVA, BVOH). Po wydrukowaniu obiektu podpory te usuwa się mechanicznie, wycinając je ze struktury przedmiotu za pomocą odpowiednich narzędzi, lub chemicznie, stosując dostosowane do rozpuszczania supportów substancje (limonen w przypadku materiału typu HIPS i woda roztwarzająca PVA i BVOH). Lekarstwem na opisany problem drukowania skomplikowanych brył jest zaprzężenie do pracy urządzeń opierających swoje funkcjonowanie na technice Binder Jetting. Nie wymaga ona od użytkownika ujmowania w cyfrowym modelu drukowanego obiektu struktur podporowych. Powód jest wręcz trywialny - wytwarzane tą metodą przedmioty otoczone są ziarenkami proszku, który nie wszedł w interakcję ze spoiwem. Pełnią one funkcję analogiczną do podpór stosowanych w technice FDM.

Zalety stosowania techniki Binder Jetting w druku 3D - część II

Problemem tworzonych metodą FDM przestrzennych obiektów jest ich wymiarowa stabilność. Negatywny wpływ na tę właściwość materiałową wywiera m.in. proces obróbki termicznej materiału filamentowego. Stopiony przez głowicę drukarki termoplast zastyga po nałożeniu go na platformę roboczą urządzenia drukującego. Upłynnione tworzywo filamentowe, zmieniając swój stan skupienia i tym samym przemieniając się w ciało stałe, podlega w mniejszym lub większym stopniu skurczowi liniowemu. Oznacza to wysokie prawdopodobieństwo wystąpienia różnic pomiędzy wymiarami obiektu wydrukowanego a ich wartościami przewidywanymi. Producenci filamentów usiłują zaradzić tej problematycznej kwestii, tworząc produkty cechujące się maksymalnie zminimalizowanym skurczem liniowym i osiągając na tym polu rezultaty coraz lepsze. Jednakże również w tym przypadku bardzo wartościowa jest technologia Binder Jetting. Zazwyczaj nie wymaga ona zastosowania termicznej obróbki tworzonych przy jej użyciu wydruków (zaznaczyć należy, iż są pewne odstępstwa od tego faktu). Wartości skurczu liniowego towarzyszące procesowi Binder Jetting są mniejsze niż te występujące podczas drukowania przestrzennego metodą Fused Deposition Modelling. W przypadku techniki opierającej się na temperaturowej obróbce tworzywa (FDM) zjawisko kurczenia się materiału wiąże się ze zmianami termicznymi. Skurcz liniowy towarzyszący drukowi przedmiotów metodą Binder Jetting wynika z twardnienia substancji spajającej drobiny proszku.

Jedna z form odlewniczych wykonana metodą Binder Jetting, które podziwiać można było na stoisku Sand Made i Voxeljet podczas XII edycji Dni Druku 3D

Niskie koszty tworzenia wydruków, czyli zalet techniki Binder Jetting ciąg dalszy

Wśród zalet technologii Binder Jetting należy wyróżnić też relatywnie niewysokie koszty jej stosowania. Związane jest to z tym, iż sproszkowany materiał, który nie wszedł w interakcję ze spoiwem, może bezproblemowo zostać w przygotowywaniu kolejnych wydruków. Ten aspekt odgrywa istotną rolę w przypadkach przemysłowych zastosowań omawianej tutaj techniki, gdzie w skład optymalizacji procesu produkcyjnego wchodzi minimalizacja kosztów przy jednoczesnym zachowaniu możliwie najwyższej jakości wytwarzanych przedmiotów. Metoda ta istotna jest też z innego powodu - umożliwia tworzenie zarówno wydruków niewielkich, jak również tych wielkoformatowych. Cechuje się także wysokim poziomem powtarzalności wykonywanych tą techniką obiektów. Przykładowo druk z wykorzystujący piasek jako materiał budulcowy doskonale nadaje się do produkowania form odlewniczych.

Binder Jetting. Podsumowanie

Jak łatwo można wywnioskować z artykułu, Binder Jetting stanowi technologię posiadającą wiele zalet. Sprawdza się doskonale tam, gdzie wykorzystanie metody Fused Deposition Modelling. Świetne rezultaty daje zastosowanie jej w różnorodnych gałęziach przemysłu. Jest stosunkowo niedroga, daje możliwość wykonywania obiektów o szerokim spektrum wymiarowym, gwarantuje też dużą powtarzalność wydruków. Słowem - technika bardzo dobrze dostosowana do zadań specjalnych.