Binder Jetting

Binder Jetting, auch bekannt als Freistrahl-Bindemittelauftrag bekannt, ist ein pulverbasiertes additives Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen auf Basis digitaler 3D-Daten. Binder Jetting gehört zu den sieben Kategorien der additiven Fertigungsverfahren nach ASTM und ISO.

Geschichte

Das Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelte und patentierte diese Technologie erstmals 1993. 1996 sicherte sich die ExOne Company ein exklusives Patent für die Technologie, während die Z Corporation, die später von 3D Systems gekauft wurde, ein nicht-exklusives Patent für den Einsatz der Technologie im Metallguss erwarb. Die Forschungsgruppe am MIT schützte den Begriff “Three-Dimensional Printing” (“3D-Drucken”) zusammen mit der Abkürzung 3DP markenrechtlich.

Der Begriff “3D-Drucken” hat sich jedoch in der öffentlichen Wahrnehmung als Sammelbegriff für alle additiven Fertigungsverfahren etabliert, auch wenn er ursprünglich nur für das Binder-Jetting-Verfahren stand. Insbesondere in Marketing und Medien wird er häufig verallgemeinernd für die verschiedenen Arten des 3D-Drucks verwendet.

In der Folgezeit wurde Binder Jetting von verschiedenen Unternehmen wie ExOne, Z Corporation, Voxeljet und HP weiterentwickelt und vermarktet.

Funktionsweise

Beim Binder Jetting baut man die Bauteile wie bei anderen additiven Fertigungsverfahren Schicht für Schicht auf. Anhand der digitalen 3D-Daten wird für jede Schicht die genaue Geometrie des zu druckenden Teils berechnet. Ein Tintenstrahldruckkopf, ähnlich dem eines herkömmlichen 2D-Tintenstrahldruckers, bewegt sich präzise über ein Pulverbett und trägt ein flüssiges Bindemittel selektiv dort auf, wo das Material verklebt werden soll. Nach Abschluss einer Schicht wird eine neue Pulverschicht über den bereits bedruckten Bereich verteilt und der Vorgang wiederholt sich, bis das gewünschte Bauteil vollständig aufgebaut ist. Abschließend wird jegliches überschüssiges Pulver sorgfältig entfernt und kann für nachfolgende Druckvorgänge teilweise wiederverwendet werden.

Illustration der Funktionsweise

Ein beweglicher Kopf a) bindet selektiv (durch Klebstofftropfen oder Lasersintern) die Oberfläche eines Pulverbettes e); eine bewegliche Plattform f) senkt das Bett schrittweise ab, und das verfestigte Objekt d) ruht in dem ungebundenen Pulver. Dem Bett wird kontinuierlich neues Pulver aus einem Pulverbehälter c) über einen Nivelliermechanismus b) zugeführt.

Materialien

Das Binder Jetting Verfahren kann mit verschiedenen Materialien als Pulverbasis eingesetzt werden.

Bei Metallen kommen häufig Edelstahllegierungen oder Titanlegierungen zum Einsatz. Die Metallpulver werden mit einem Gemisch aus Wasser und Polymeren als Bindemittel verklebt und anschließend gesintert, um dichte Metallbauteile herzustellen.

Für Polymere eignen sich Pulver auf Basis von PMMA oder Polyamiden. Nach dem Druck werden die Teile infiltriert, um die Festigkeit zu erhöhen. So entstehen Kunststoffbauteile für den Gebrauch.

Als weitere Pulverbasis dienen Gips oder Stärke. Mit wässrigen Bindemitteln werden Modelle und Formen für Gussverfahren erzeugt. Durch nachträgliche Infiltration lassen sich auch hier spezielle Eigenschaften erzielen.

Sand und Quarz kommen besonders im Gießereibereich zum Einsatz. Die Sandpartikel werden mit anorganischen Bindemitteln verbunden und ergeben verlorene Gussformen und -kerne.

Weiterentwicklung und Varianten

HP Metal Jet Technologie

Seit 2014 bietet HP eigene industrielle 3D-Drucker an. Hierfür setzt das Unternehmen die sogenannte Multi Jet Fusion (MJF) Technologie für die Verarbeitung von Kunststoff. Mit der Metal Jet Technologie hat das Unternehmen seine Technologie für Metall weiterentwickelt. Es funktioniert ähnlich wie das Multi Jet Fusion Verfahren, verwendet aber Metallpulver und ein Bindemittel. Nach dem Druck werden die grünen Teile in einem Ofen gesintert, um das Bindemittel zu entfernen und das Metall zu verdichten. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von komplexen Metallteilen mit hoher Dichte und Festigkeit.

Vor- und Nachteile

Das Binder Jetting zeichnet sich dadurch aus, dass wie beim Lasersintern keine zusätzlichen Stützstrukturen nötig sind. Das Pulverbett selbst trägt das Bauteil während des Druckvorgangs.

Die Robustheit und Festigkeit der erstellten Objekte hängen maßgeblich vom verwendeten Bindemittel ab und sind in der Regel nicht so hoch wie bei vollmassiven Metall- oder Keramikteilen. Wird anschließend gesintert, kommt es zu einem Volumenschwund, der bei der Konstruktion berücksichtigt werden muss. Nach dem Sintern können die mechanischen Eigenschaften aber durchaus mit denen anderer pulverbasierter Verfahren vergleichbar sein. Insgesamt lassen sich mit Binder Jetting sowohl Prototypen mit eingeschränkten Festigkeiten als auch through-hardened Bauteile mit guten mechanischen Kennwerten fertigen.

Hersteller heben auch die Geschwindigkeit des Prozesses hervor.

Bekannte Hersteller

	Z Corporation (Z Corp.), gegründet 1994, war eines der ersten Unternehmen, die 3D-Drucker mit der Binder-Jetting-Technologie anboten. 3D Systems übernahm im Jahr 2012 die Firma. 3D Systems integrierte die Technologie in ihrer ColorJet Printing (CJP) Sparte.
	Desktop Metal gründete sich 2015 und vermarktet die Binder-Jetting-Technologie unter dem Namen Single Pass Jetting in seinem Production System. Ebenfalls bietet das Unternehmen auch noch andere Maschinen mit der Technologie an und ermöglicht so die Verarbeitung von Metallen und Kunststoffen. Unter der Marke Forust wird auch ein 3D-Druck mit Holz angeboten. 2021 übernahm Desktop Metal mit ExOne einen Pionier der Binder-Jetting-Technologie. Die Marke wird eigenständig weitergeführt.
	ExOne wurde in den 1990er Jahren als Teil der Extrude Hone Corporation gegründet. 1996 bekam das Unternehmen eine Exklusivlizenz vom Massachusetts Institute of Technology für die Verwendung des Binder-Jetting-Verfahrens und 1998 stellte der Hersteller den ersten kommerziellen 3D-Metalldrucker vor. Das Unternehmen spezialisierte sich neben dem 3D-Druck von Metallen auch auf Sand-3D-Drucker, welche sich für Sandgussanwendungen eignen. 2021 kaufte Desktop Metal ExOne, führt die Marke jedoch weiterhin unabhängig.
	GE Additive gehört zu General Electric (GE) und hat mehrere industrielle 3D-Druck-Technologien im Angebot. Mit Binder Jet Line hat das Unternehmen auch Maschinen, die auf das Binder-Jetting-Verfahren setzen, im Angebot.
	HP, das früher unter dem Namen Hewlett-Packard firmierte, gründete sich im Jahr 1939 und zählt heute nicht nur zu den größten Unternehmen im 2D-Druckbereich, sondern ist seit 2014 auch im industriellen 3D-Druck aktiv. Ende 2014 präsentierte das Unternehmen erstmals seine Multi-Jet-Fusion-Technologie. Darauf aufbauen hat das Unternehmen mit HP Metal Jet auch ein Binder-Jetting-Verfahren für Metall vorgestellt.
	Voxeljet ist ein Spin-out der TU München und setzt schon seit Jahren auf das Binder-Jetting-Verfahren. Das Unternehmen hat industrielle 3D-Drucker für die Verarbeitung von Kunststoff, Sand und Keramik.