Comprendre l’impression 3D par jet de liant :principes, avantages et limites

Dans cette introduction à l’impression 3D Binder Jetting, nous abordons les principes de base de la technologie. Après avoir lu cet article, vous comprendrez les mécanismes fondamentaux du processus de Binder Jetting et leur lien avec ses avantages et ses limites.

Comment fonctionne le jet de liant ?

Voici comment fonctionne le processus de Binder Jetting :

I. Tout d'abord, une lame de recouvrement étale une fine couche de poudre sur la plateforme de construction.

II. Ensuite, un chariot équipé de buses à jet d'encre (similaires aux buses utilisées dans les imprimantes 2D de bureau) passe sur le lit, déposant sélectivement des gouttelettes d'un liant (colle) qui lient les particules de poudre entre elles. Dans le Binder Jetting en couleur, l’encre colorée est également déposée au cours de cette étape. La taille de chaque goutte est d'environ 80 μm de diamètre, ce qui permet d'obtenir une bonne résolution.

III. Une fois la couche terminée, la plateforme de construction descend et la lame recouvre la surface. Le processus se répète ensuite jusqu'à ce que toute la partie soit terminée.

IV. Après l'impression, la pièce est encapsulée dans la poudre et laissée durcir et gagner en résistance. Ensuite, la pièce est retirée du bac à poudre et l'excès de poudre non lié est nettoyé à l'air comprimé.

Selon le matériau, une étape de post-traitement est généralement nécessaire. Par exemple, les pièces métalliques Binder Jetting doivent être frittées (ou autrement traité thermiquement) ou infiltré avec un métal à basse température de fusion (généralement du bronze). Les prototypes en couleur sont également infiltrés d’acrylique et enduits pour améliorer l’éclat des couleurs. Les noyaux et les moules de moulage en sable sont généralement prêts à l'emploi après l'impression 3D.

En effet, les pièces sont dans un état « vert » lorsqu’elles quittent l’imprimante. Pièces de Binder Jetting à l’état vert ont de mauvaises propriétés mécaniques (ils sont très fragiles) et une porosité élevée.

Schéma d'une imprimante 3D Binder Jetting

Quelles sont les caractéristiques de l'impression 3D Binder Jetting ?

Paramètres de l'imprimante

Dans Binder Jetting, presque tous les paramètres de processus sont prédéfinis par le fabricant de la machine.

La hauteur de couche typique dépend du matériau :pour les modèles en couleur, la hauteur de couche typique est de 100 microns, pour les pièces métalliques de 50 microns et pour les matériaux de moulage en sable de 200 à 400 microns.

Un avantage clé du Binder Jetting par rapport aux autres procédés d'impression 3D est que le collage se produit à température ambiante. . Cela signifie que les distorsions dimensionnelles liées aux effets thermiques (telles que la déformation en FDM, SLS, DMSL/SLM ou le curling en SLA/DLP) ne sont pas un problème dans le Binder Jetting.

En conséquence, le volume de construction Le nombre de machines de Binder Jetting est parmi les plus grands par rapport à toutes les technologies d’impression 3D (jusqu’à 2 200 x 1 200 x 600 mm). Ces grandes machines sont généralement utilisées pour produire des moules de coulée en sable. Les systèmes Metal Binder Jetting ont généralement des volumes de fabrication plus importants que les systèmes DMSL/SLM (jusqu'à 800 x 500 x 400 mm), ce qui permet la fabrication parallèle de plusieurs pièces à la fois. La taille maximale des pièces est cependant limitée à une longueur recommandée allant jusqu'à 50 mm, en raison de l'étape de post-traitement impliquée.

De plus, le Binder Jetting ne nécessite aucune structure de support :la poudre environnante apporte à la pièce tout le support nécessaire (similaire au SLS). Il s’agit d’une différence clé entre le Binder Jetting métallique et les autres procédés d’impression 3D métallique, qui nécessitent généralement une utilisation intensive de structures de support et permettent la création de structures métalliques de forme libre avec très peu de restrictions géométriques. Les imprécisions géométriques du Binder Jetting métallique proviennent principalement des étapes de post-traitement, comme indiqué dans une section ultérieure.

Étant donné que les pièces de Binder Jetting n'ont pas besoin d'être attachées à la plate-forme de construction, tout le volume de construction peut être utilisé. Ainsi, le Binder Jetting convient à la production de lots faibles à moyens . Pour profiter de toutes les capacités du Binder Jetting, il est très important de réfléchir à la manière de remplir efficacement tout le volume de fabrication de la machine (bin packaging).

Petit liant métallique avec trous fins d'une grande précision dimensionnelle.

Image gracieuseté de Digital Metal

Jet de liant en couleur

Le Binder Jetting peut produire des pièces imprimées en 3D en couleur de la même manière que le Material Jetting. Il est souvent utilisé pour imprimer en 3D des figurines et des cartes topographiques, en raison de son faible coût.

Les modèles en couleur sont imprimés avec de la poudre de grès ou de la poudre PMMA. La tête d'impression principale projette d'abord le liant, tandis qu'une tête d'impression secondaire projette une encre colorée. Des encres de différentes couleurs peuvent être combinées pour produire une très large gamme de couleurs, de la même manière qu'une imprimante à jet d'encre 2D.

Après l'impression, les pièces sont ensuite recouvertes de cyanoacrylate (super colle) ou d'un autre infiltrant pour améliorer la résistance des pièces et rehausser l'éclat des couleurs. Une couche époxy secondaire peut ensuite également être ajoutée pour améliorer encore la résistance et l’apparence de la couleur. Même avec ces étapes supplémentaires, les pièces en couleur du Binder Jetting sont très fragiles et ne sont pas recommandées pour les applications fonctionnelles.

Pour produire des impressions en couleur, un modèle CAO contenant les informations de couleur doit être fourni. La couleur peut être appliquée aux modèles CAO via deux méthodes :selon une approche par face ou sous forme de carte de texture. L'application de couleurs par face est rapide et facile à mettre en œuvre, mais l'utilisation d'une carte de texture permet plus de contrôles et plus de détails. Reportez-vous à votre logiciel de CAO natif pour obtenir des instructions spécifiques.

Une impression en couleur imprimée en grès avec Binder Jetting

Noyaux et moules de coulée en sable

La production de grands modèles de moulage en sable est l’une des utilisations les plus courantes du jet de liant. Le faible coût et la rapidité du processus en font une excellente solution pour les modèles élaborés qui seraient très difficiles, voire impossibles, à produire avec les techniques traditionnelles.

Les noyaux et moules sont généralement imprimés avec du sable ou de la silice. Après l'impression, les moules sont généralement immédiatement prêts à être coulés. Le composant métallique coulé en est généralement retiré après la coulée en cassant le moule. Même si ces moules ne sont utilisés qu'une seule fois, les économies de temps et d'argent par rapport à la fabrication traditionnelle sont substantielles.

Assemblage de moulage au sable en plusieurs parties utilisé pour couler un bloc moteur.

Image gracieuseté d'ExOne

Jet de liant métallique

Le jet de liant métallique est jusqu'à 10 fois plus économique que les autres procédés d’impression 3D métal (DMSL/SLM). De plus, la taille de construction du Binder Jetting est considérablement grande et les pièces produites ne nécessitent aucune structure de support. lors de l'impression, permettant la création de géométries complexes. Cela fait du métal Binder Jetting une technologie très attrayante pour la production de métaux faibles à moyennes .

Le principal inconvénient des pièces métalliques en Binder Jetting réside dans leurs propriétés mécaniques, qui ne conviennent pas aux applications haut de gamme. Néanmoins, les propriétés matérielles des pièces produites sont équivalentes à celles des pièces métalliques produites par moulage par injection de métal, qui est l'une des méthodes de fabrication les plus utilisées pour la production en série de pièces métalliques.

Infiltration &Frittage

Les pièces Metal Binder Jetting nécessitent un processus secondaire après l'impression, comme une infiltration. ou frittage , pour obtenir leurs bonnes propriétés mécaniques, car les pièces telles qu'imprimées sont essentiellement constituées de particules métalliques liées entre elles avec un adhésif polymère.

Infiltration : Après impression, la pièce est placée dans un four, où le liant est brûlé en laissant des vides. À ce stade, la pièce est poreuse à environ 60 %. Le bronze est ensuite utilisé pour s'infiltrer dans les vides par action capillaire, ce qui donne des pièces à faible porosité et à bonne résistance.

Frittage : Une fois l'impression terminée, les pièces sont placées dans un four à haute température, où le liant est brûlé et les particules métalliques restantes sont frittées (liées) ensemble, ce qui donne des pièces à très faible porosité.

Un stator de pétrole et de gaz imprimé en acier inoxydable et infiltré de bronze. Notez la finition de surface, typique des pièces Binder Jetted.

Image gracieuseté d'ExOne

Caractéristiques du jet de liant métallique

La précision et la tolérance peuvent varier considérablement selon le modèle et sont difficiles à prédire car elles dépendent fortement de la géométrie. Par exemple, les pièces d'une longueur allant jusqu'à 25 à 75 mm rétrécissent entre 0,8 et 2 % après infiltration, tandis que les pièces plus grandes ont un retrait moyen estimé à 3 %. Lors du frittage, le retrait de la pièce est d'environ 20 %. Les dimensions des pièces sont compensées pour le retrait par le logiciel de la machine, mais un retrait non uniforme peut être un problème et doit être pris en compte lors de la phase de conception en collaboration avec l'opérateur de la machine à jet de liant.

L’étape de post-traitement peut également être source d’imprécisions. Par exemple, lors du frittage, la pièce est chauffée à haute température et devient plus molle. Dans cet état plus doux, les zones non prises en charge pourraient se déformer sous leur propre poids. De plus, comme la pièce se rétracte lors du frittage, il y a ici un frottement entre la plaque du four et la surface inférieure de la pièce, ce qui peut conduire à une déformation. . Encore une fois, la communication avec l'opérateur de la machine Binder Jetting est essentielle ici pour garantir des résultats optimaux.

Les pièces métalliques frittées ou infiltrées par Binder Jetting auront une porosité interne (le frittage produit des pièces denses à 97 %, tandis que l'infiltration produit environ 90 %). Cela affecte les propriétés mécaniques des pièces métalliques Binder Jetting, car les vides peuvent conduire à l’initiation de fissures. La fatigue, la résistance à la rupture et l’allongement à la rupture sont les propriétés des matériaux les plus affectées par la porosité interne. Des procédés métallurgiques avancés (comme le pressage isostatique à chaud ou HIP) peuvent être appliqués pour produire des pièces presque sans porosité interne. Cependant, pour les applications où les performances mécaniques sont critiques, DMLS ou SLM sont les solutions recommandées.

Un avantage du jet de liant métallique par rapport au DMLS/SLM est la rugosité de la surface. des pièces produites. En règle générale, les pièces métalliques Binder Jetted ont une rugosité de surface de Ra 6 μm après post-traitement, qui peut être réduite à Ra 3 μm si une étape de sablage aux billes est utilisée. En comparaison, la rugosité de surface telle qu'imprimée des pièces DMLS/SLM est d'environ Ra 12-16 μm. Ceci est particulièrement avantageux pour les pièces présentant des géométries internes , par exemple les canaux internes, où le post-traitement est difficile.

Le tableau ci-dessous résume les différences dans les principales propriétés mécaniques des pièces en acier inoxydable, imprimées avec Binder Jetting et DMLS/SLM :

Binder Jetting Acier inoxydable 316 (fritté) Jet de liant en acier inoxydable 316 (infiltré dans le bronze) DMLS/SLM Acier inoxydable 316L Contrainte d'élasticité 214 MPa 283 MPa 470 MPa Allongement à la rupture 34% 14,5% 40% Module d'élasticité 165 GPa 135 GPa 180 GPa