Технология струйного нанесения связующего (BJ), разработанная в Массачусетском технологическом институте в 1990-х годах, стала ключевым нововведением в аддитивном производстве. Способность создавать сложные формы без использования поддерживающих структур сделала ее прорывной для архитектуры и промышленного прототипирования.
Использование BJ в металлообработке было ограниченным до появления металлического струйного нанесения связующего (MBJ). Сегодня MBJ активно набирает популярность благодаря экономичности, работе с широким спектром материалов и отсутствию герметичных камер и высоких температур. Это делает ее идеальным решением для серийного производства металлических деталей, сложных форм и инструментов.
Основы технологии струйного нанесения связующего (BJ)
Технология струйного нанесения связующего (Binder Jetting, BJ) — это метод аддитивного производства, использующий связующий материал вместо лазеров или других источников энергии для послойного создания объектов.
Процесс начинается с равномерного распределения тонкого слоя порошкового материала (металла, песка или керамики) на рабочей поверхности. Печатающая головка распыляет капли жидкого связующего, которые избирательно связывают частицы порошка, создавая твёрдые участки. После завершения каждого слоя платформа опускается, и процесс повторяется. После печати объект извлекается из порошка, а оставшийся порошок может быть использован повторно. Для придания прочности готовую деталь обычно подвергают дополнительной обработке, такой как спекание или пропитка полимерами.
Преимущества технологии BJ:
- Отсутствие необходимости в дополнительных опорах: технология BJ позволяет создавать объекты с внутренними полостями и нависающими элементами без использования опор.
- Разнообразие материалов: работает с металлами, керамикой и песком, что делает её универсальной для различных отраслей промышленности.
- Высокая скорость печати: процесс быстрее, так как не требуются высокие температуры или вакуумные камеры.
Качество конечного продукта зависит от материала и постобработки, например, спекания для плотности и прочности деталей. Технология BJ идеальна для создания сложных прототипов и архитектурных моделей, не требующих высокой механической прочности. Для металлических деталей существует расширение технологии — Metal Binder Jetting (MBJ), которое обеспечивает более высокие стандарты прочности и точности.
Технология металлического струйного нанесения связующего (MBJ)
Технология Metal Binder Jetting (MBJ) — улучшенная версия струйного нанесения связующего (BJ), разработанная для работы с металлическими порошками. Принцип работы аналогичен традиционному BJ, но адаптирован для удовлетворения строгих требований к прочности, точности и качеству металлических деталей. Процесс начинается с нанесения тонкого слоя металлического порошка на платформу. Печатающая головка распыляет связующее вещество, формируя сечение будущей детали. Платформа опускается на определённую высоту, процесс повторяется слой за слоем. После завершения печати получается «зелёный» объект, который не обладает достаточной прочностью. Для достижения прочности деталь проходит несколько этапов постобработки:
- Деколеризация — удаление связующего вещества нагревом.
- Спекание — нагрев до температуры плавления металла для уплотнения и связывания частиц.
В результате получается плотная и прочная металлическая деталь.
Применение технологии MBJ
В промышленности MBJ используется для создания надёжных и точных металлических деталей. В автомобильной промышленности она применяется для изготовления двигателей и других компонентов, в медицине – для имплантов и хирургических инструментов. В аэрокосмической отрасли эта технология применяется для создания лёгких и прочных компонентов, где важно минимизировать вес при сохранении прочности. MBJ особенно полезен в случаях массового производства сложных металлических компонентов, где важны производительность, качество и возможность использования различных металлов и сплавов.
Преимущества технологии струйного нанесения связующего (BJ/MBJ) перед аналогами
Технологии струйного нанесения связующего, такие как BJ и MBJ, представляют собой уникальные методы, которые значительно превосходят другие аддитивные производственные технологии, включая селективное лазерное спекание (SLS) и электронно-лучевую плавку (EBM).
Эти преимущества делают BJ и MBJ особенно привлекательными для различных промышленных секторов.
Совместимость с широким спектром материалов
Одним из ключевых достоинств струйного нанесения связующего является его способность работать с разнообразными материалами, включая металлы, керамику и даже полимеры. Это значительно расширяет возможности применения данной технологии.
Например, MBJ прекрасно подходит для работы с металлическими порошками, такими как нержавеющая сталь и титан, в то время как BJ может использоваться для создания керамических изделий, включая огнеупорные материалы и элементы для электроники. Эта гибкость в выборе материалов позволяет применять BJ и MBJ в различных отраслях: от машиностроения до медицины и ювелирного производства.
Экономичность: работа при комнатной температуре без герметичных камер
Одним из главных преимуществ BJ и MBJ является возможность работать при комнатной температуре, что исключает необходимость в герметичных камерах или вакуумных условиях, как это требуется в других методах аддитивного производства, таких как EBM. Это значительно упрощает процесс печати, снижает энергозатраты и делает технологию более доступной с точки зрения капитальных вложений.
Кроме того, работа при комнатной температуре позволяет избежать рисков теплового деформирования материалов, что особенно важно при производстве сложных и тонкостенных деталей. Это также расширяет спектр применяемых материалов, что делает технологию более универсальной.
Снижение производственных издержек и уменьшение трудозатрат оператора
BJ и MBJ обеспечивают значительное сокращение трудозатрат на каждом этапе процесса. Поскольку нет необходимости в постоянном контроле температуры или сложных подготовительных этапах, оператор может настроить печать, запустить процесс и минимально вмешиваться в течение всего производства. Это снижает затраты на рабочую силу и ускоряет процесс печати, что особенно полезно в условиях массового производства.
Кроме того, использование стандартных промышленных металлов и керамики без дополнительных требований к подготовке материалов также позволяет сократить издержки и минимизировать отходы, так как несвязанный порошок может быть повторно использован.
Отсутствие необходимости в поддерживающих конструкциях
Одним из уникальных свойств BJ и MBJ является отсутствие необходимости в создании поддерживающих конструкций. В других технологиях 3D-печати, таких как SLS и FDM (плавление нити), опорные конструкции необходимы для поддержки элементов деталей с нависающими частями. Это не только замедляет процесс, но и требует последующей обработки для удаления опор, что увеличивает трудозатраты и стоимость.
В случае с BJ и MBJ детали «погружены» в несвязанный порошок, который сам по себе выполняет функцию опоры. Это значительно упрощает процесс создания сложных и детализированных моделей, снижая время на постобработку.
Высокая производительность и возможности серийного производства
BJ и MBJ обеспечивают высокую производительность, что делает их отличным выбором для серийного производства. Процесс укладки порошка и нанесения связующего происходит быстро и точно, что позволяет производить множество деталей за относительно короткое время. Это особенно выгодно при массовом производстве, где требуются детали с высокой степенью повторяемости и качественной отделкой.
Кроме того, благодаря возможностям автоматизации и уменьшению участия оператора, технологии BJ и MBJ отлично подходят для интеграции в масштабируемые производственные процессы, делая их конкурентоспособными по сравнению с традиционными методами литья и механической обработки.
Применение технологии струйного нанесения связующего (BJ/MBJ) в промышленности
Применение технологии струйного нанесения связующего (BJ/MBJ) в различных отраслях промышленности обусловлено её эффективностью, экономичностью и возможностью работы с широким спектром материалов.
BJ/MBJ используются в самых разных сферах — от авиации и энергетики до медицины и автомобилестроения. В этом разделе мы рассмотрим основные примеры применения MBJ, а также вклад ключевых компаний, таких как ExOne, Voxeljet и Z Corp., в развитие этой технологии.
- Производство турбинных лопаток
Одним из ключевых направлений применения MBJ является производство деталей для энергетических установок, включая газовые и паровые турбины. Благодаря высокой точности и возможности работы с жаропрочными сплавами, MBJ позволяет изготавливать сложные детали, такие как турбинные лопатки, которые ранее требовали дорогостоящих и трудоёмких процессов литья.
Использование MBJ ускоряет разработку, снижает затраты на производство и позволяет внедрять инновационные конструктивные решения, недоступные традиционным методам. - Пресс-формы и штампы
В инструментальном производстве технология MBJ применяется для изготовления пресс-форм и штампов, используемых в различных производственных процессах, таких как литьё под давлением или горячая штамповка. В отличие от традиционного фрезерования или электроэрозионной обработки, MBJ позволяет создавать формы с более сложной геометрией и минимальными ограничениями по дизайну. Это сокращает время на изготовление инструмента и улучшает его функциональные свойства за счёт внедрения сложных охлаждающих каналов и других конструктивных решений. - Производство инструментальных изделий
В машиностроении и автомобилестроении MBJ используется для создания разнообразных инструментов, включая режущие и измерительные инструменты. Технология позволяет быстро прототипировать и производить конечные изделия с высокой степенью точности, а также оптимизировать их конструкцию для повышения прочности и долговечности. Это особенно важно для инструментов, которые работают в экстремальных условиях, где требуются материалы с особыми свойствами, такими как твёрдость и термостойкость.
Вклад компаний в развитие технологии
ExOne — один из мировых лидеров в области аддитивного производства. Компания внесла значительный вклад в развитие технологий струйного нанесения связующего.
ExOne активно развивает свои решения в сфере промышленной 3D-печати. Компания предлагает оборудование и материалы для производства металлических и керамических деталей. Её технологии применяются в аэрокосмической промышленности, машиностроении, энергетике и других отраслях.
Одним из ключевых продуктов компании является принтер для металлов. Он способен производить серийные партии деталей с минимальной постобработкой.
Voxeljet — немецкая компания, известная своими крупногабаритными промышленными 3D-принтерами. Они активно используются для создания литейных форм и моделей.
Технология BJ от Voxeljet позволяет создавать большие детали с высокой точностью и минимальными затратами на материал. Voxeljet также внесла значительный вклад в развитие струйного нанесения связующего для работы с песком и керамическими порошками. Это открыло новые возможности для литейного производства. В частности, благодаря этой технологии стало возможным быстрое и экономичное создание песчаных форм для литья сложных металлических изделий.
Z Corp, позднее приобретённая компанией 3D Systems, является пионером в области струйного нанесения связующего. Её технологии стали основой для современных решений BJ.
Z Corp была одной из первых компаний, предложивших коммерческие принтеры для работы с порошковыми материалами. Это открыло двери для внедрения этой технологии в различные производственные процессы.
Сегодня разработки Z Corp активно используются в прототипировании и массовом производстве. Это помогло внедрить 3D-печать в широкомасштабные промышленные проекты.
Технология металлического струйного нанесения связующего (MBJ) зарекомендовала себя как одно из самых перспективных решений для современных производственных процессов.
Благодаря своей высокой производительности, экономичности и возможности работы с разнообразными материалами, MBJ открывает новые горизонты для серийного производства деталей сложной формы с минимальными затратами. В таких отраслях, как авиастроение, энергетика и автомобилестроение, эта технология уже позволяет оптимизировать процессы, ускоряя разработку и снижая производственные издержки.
Технология нанесения связующего материала с помощью металлической струи (MBJ) стала одним из перспективных решений в производстве. Она обеспечивает высокую производительность, экономичность и универсальность, что позволяет изготавливать детали сложной формы с минимальными затратами. В таких отраслях, как авиастроение, энергетика и автомобилестроение, MBJ оптимизирует процессы и снижает издержки. С каждым годом технология совершенствуется и расширяется на новые области. Ожидается, что MBJ продолжит занимать ключевые позиции в производстве, позволяя компаниям гибко реагировать на потребности рынка. В сочетании с развитием материалов и оборудования, MBJ может трансформировать производственные процессы, предлагая инновационные решения для создания высококачественных изделий с минимальными ограничениями по дизайну.
