Pengertian Binder Jetting 3D Printing:Prinsip, Manfaat, dan Keterbatasannya

Dalam pengantar pencetakan 3D Binder Jetting ini, kami membahas prinsip dasar teknologinya. Setelah membaca artikel ini, Anda akan memahami mekanisme dasar proses Binder Jetting dan kaitannya dengan manfaat dan keterbatasannya.

Bagaimana cara kerja Binder Jetting?

Berikut cara kerja proses Binder Jetting:

I. Pertama, pisau pelapis ulang menyebarkan lapisan tipis bubuk di atas platform pembangunan.

II. Kemudian, gerbong dengan nozel inkjet (yang mirip dengan nozel yang digunakan pada printer 2D desktop) melewati alas, secara selektif menyimpan tetesan bahan pengikat (lem) yang mengikat partikel bubuk menjadi satu. Dalam Binder Jetting penuh warna, tinta berwarna juga disimpan selama langkah ini. Ukuran setiap tetesan berdiameter sekitar 80 μm, sehingga resolusi yang baik dapat dicapai.

AKU AKU AKU. Ketika lapisan selesai, platform pembangunan bergerak ke bawah dan bilah melapisi kembali permukaan. Proses kemudian diulangi hingga seluruh bagian selesai.

IV. Setelah dicetak, bagian tersebut dikemas dalam bubuk dan dibiarkan mengering dan mendapatkan kekuatan. Kemudian bagian tersebut dikeluarkan dari tempat bedak dan sisa bedak yang tidak terikat dibersihkan melalui udara bertekanan.

Tergantung pada bahannya, langkah pasca-pemrosesan biasanya diperlukan. Misalnya, komponen Binder Jetting yang terbuat dari logam perlu disinter (atau dengan cara lain yang diberi perlakuan panas) atau disusupi dengan logam bersuhu leleh rendah (biasanya perunggu). Prototipe penuh warna juga diresapi dengan akrilik dan dilapisi untuk meningkatkan kecerahan warna. Inti dan cetakan pengecoran pasir biasanya siap digunakan setelah pencetakan 3D.

Hal ini karena komponen-komponen tersebut berada dalam kondisi “hijau” ketika meninggalkan printer. Bagian Binder Jetting dalam keadaan hijau memiliki sifat mekanik yang buruk (sangat rapuh) dan porositas tinggi.

Skema printer 3D Binder Jetting

Apa saja karakteristik pencetakan 3D Binder Jetting?

Parameter Pencetak

Di Binder Jetting, hampir semua parameter proses telah diatur sebelumnya oleh produsen mesin.

Tinggi lapisan yang umum tergantung pada bahannya:untuk model penuh warna, tinggi lapisan umumnya adalah 100 mikron, untuk bagian logam 50 mikron, dan untuk bahan cetakan pengecoran pasir 200-400 mikron.

Keuntungan utama Binder Jetting dibandingkan proses pencetakan 3D lainnya adalah pengikatan terjadi pada suhu ruangan . Artinya, distorsi dimensi yang terkait dengan efek termal (seperti pembengkokan di FDM, SLS, DMSL/SLM, atau pengeritingan di SLA/DLP) tidak menjadi masalah di Binder Jetting.

Hasilnya, volume build mesin Binder Jetting termasuk yang terbesar dibandingkan semua teknologi pencetakan 3D (hingga 2200 x 1200 x 600 mm). Mesin besar ini umumnya digunakan untuk memproduksi cetakan pengecoran pasir. Sistem Metal Binder Jetting biasanya memiliki volume pembuatan yang lebih besar dibandingkan sistem DMSL/SLM (hingga 800 x 500 x 400 mm), yang memungkinkan pembuatan paralel beberapa komponen sekaligus. Namun ukuran komponen maksimum dibatasi pada panjang yang disarankan hingga 50 mm, karena memerlukan langkah pasca-pemrosesan.

Selain itu, Binder Jetting tidak memerlukan struktur pendukung :bubuk di sekelilingnya memberikan semua dukungan yang diperlukan pada bagian tersebut (mirip dengan SLS). Inilah perbedaan utama antara Binder Jetting logam dan proses pencetakan 3D logam lainnya, yang biasanya memerlukan penggunaan struktur pendukung secara ekstensif, dan memungkinkan pembuatan struktur logam bentuk bebas dengan sedikit batasan geometris. Ketidakakuratan geometris pada Binder Jetting logam terutama berasal dari langkah pasca-pemrosesan, seperti yang dibahas di bagian selanjutnya.

Karena bagian-bagian dalam Binder Jetting tidak perlu dipasang ke platform pembangunan, seluruh volume pembangunan dapat dimanfaatkan. Oleh karena itu, Binder Jetting cocok untuk produksi batch rendah hingga menengah . Untuk memanfaatkan kemampuan penuh Binder Jetting, sangat penting untuk mempertimbangkan cara mengisi seluruh volume pembuatan mesin (pengemasan bin) secara efektif.

Binder Jetting logam kecil dengan lubang halus dengan akurasi dimensi tinggi.

Gambar milik Digital Metal

Pengaliran Binder Penuh Warna

Binder Jetting dapat menghasilkan komponen cetakan 3D penuh warna dengan cara yang mirip dengan Material Jetting. Ini sering digunakan untuk mencetak patung dan peta topografi 3D, karena biayanya yang rendah.

Model full color dicetak menggunakan bubuk batu pasir atau bubuk PMMA. Kepala cetak utama mula-mula menyemprotkan bahan pengikat, sedangkan kepala cetak sekunder menyemprotkan tinta berwarna. Tinta dengan warna berbeda dapat digabungkan untuk menghasilkan rangkaian warna yang sangat banyak, mirip dengan printer inkjet 2D.

Setelah dicetak, bagian-bagian tersebut kemudian dilapisi dengan sianoakrilat (lem super) atau infiltran lain untuk meningkatkan kekuatan bagian dan meningkatkan kecerahan warna. Lapisan epoksi sekunder juga dapat ditambahkan untuk lebih meningkatkan kekuatan dan tampilan warna. Bahkan dengan langkah tambahan ini, komponen Binder Jetting penuh warna masih sangat rapuh dan tidak direkomendasikan untuk aplikasi fungsional.

Untuk menghasilkan cetakan penuh warna, model CAD yang berisi informasi warna harus disediakan. Warna dapat diterapkan pada model CAD melalui dua metode:pendekatan per wajah atau sebagai peta tekstur. Menerapkan warna pada basis per wajah cepat dan mudah diterapkan, namun menggunakan peta tekstur memungkinkan lebih banyak kontrol dan detail lebih besar. Lihat perangkat lunak CAD asli Anda untuk petunjuk spesifik.

Cetakan penuh warna dicetak di batu pasir dengan Binder Jetting

Inti dan Cetakan Pengecoran Pasir

Produksi pola pengecoran pasir besar adalah salah satu kegunaan paling umum untuk Binder Jetting. Biaya rendah dan kecepatan proses menjadikannya solusi terbaik untuk desain pola rumit yang sangat sulit atau tidak mungkin dibuat menggunakan teknik tradisional.

Inti dan cetakan umumnya dicetak dengan pasir atau silika. Setelah dicetak, cetakan umumnya langsung siap untuk dicetak. Komponen logam yang dicor biasanya dihilangkan setelah pengecoran dengan cara memecahkan cetakan. Meskipun cetakan ini hanya digunakan sekali, penghematan waktu dan biaya dibandingkan dengan pembuatan tradisional sangat besar.

Rakitan pengecoran pasir multi-bagian digunakan untuk mencetak blok mesin.

Gambar milik ExOne

Pengaliran Pengikat Logam

Metal Binder Jetting 10x lebih ekonomis dibandingkan proses pencetakan 3D logam lainnya (DMSL/SLM). Selain itu, ukuran pembuatan Binder Jetting cukup besar dan komponen yang diproduksi tidak memerlukan struktur pendukung selama pencetakan, memungkinkan terciptanya geometri yang kompleks. Hal ini menjadikan metal Binder Jetting sebagai teknologi yang sangat menarik untuk produksi logam tingkat rendah hingga menengah .

Kelemahan utama suku cadang Binder Jetting logam adalah sifat mekaniknya, yang tidak cocok untuk aplikasi kelas atas. Namun demikian, sifat material dari suku cadang yang diproduksi setara dengan suku cadang logam yang diproduksi dengan Cetakan Injeksi Logam, yang merupakan salah satu metode manufaktur yang paling banyak digunakan untuk produksi massal suku cadang logam.

Infiltrasi &Sintering

Komponen Metal Binder Jetting memerlukan proses sekunder setelah pencetakan, seperti infiltrasi atau sintering , untuk mencapai sifat mekanik yang baik, karena bagian yang dicetak pada dasarnya terdiri dari partikel logam yang diikat dengan perekat polimer.

Infiltrasi: Setelah dicetak, bagian tersebut ditempatkan dalam tungku, di mana pengikatnya dibakar sehingga meninggalkan lubang. Pada titik ini, bagian tersebut kira-kira 60% berpori. Perunggu kemudian digunakan untuk menyusup ke dalam rongga melalui aksi kapiler, sehingga menghasilkan bagian dengan porositas rendah dan kekuatan yang baik.

Sintering: Setelah pencetakan selesai, bagian-bagian tersebut ditempatkan dalam tungku bersuhu tinggi, di mana pengikat dibakar dan partikel logam yang tersisa disinter (diikat) bersama-sama, menghasilkan bagian-bagian dengan porositas yang sangat rendah.

Stator minyak dan gas dicetak dari baja tahan karat dan disusupi perunggu. Perhatikan permukaan akhir, yang khas untuk bagian Binder Jetted.

Gambar milik ExOne

Karakteristik Pengikat Logam

Akurasi dan toleransi dapat sangat bervariasi bergantung pada model dan sulit diprediksi karena sangat bergantung pada geometri. Misalnya, bagian dengan panjang hingga 25 - 75 mm menyusut antara 0,8 hingga 2% setelah infiltrasi, sedangkan bagian yang lebih besar diperkirakan memiliki penyusutan rata-rata sebesar 3%. Untuk sintering, penyusutan bagiannya sekitar 20%. Dimensi bagian dikompensasikan dengan penyusutan oleh perangkat lunak mesin, namun penyusutan yang tidak seragam dapat menjadi masalah dan harus diperhitungkan selama tahap desain bekerja sama dengan operator mesin Binder Jetting.

Langkah pasca-pemrosesan juga dapat menjadi sumber ketidakakuratan. Misalnya, selama sintering, bagian tersebut dipanaskan hingga suhu tinggi dan menjadi lebih lunak. Dalam kondisi yang lebih lunak ini, area yang tidak didukung mungkin berubah bentuk karena beratnya sendiri. Selain itu, karena komponen menyusut selama sintering, terjadi gesekan antara pelat tungku dan permukaan bawah komponen, yang dapat menyebabkan lengkungan . Sekali lagi, komunikasi dengan operator mesin Binder Jetting adalah kuncinya di sini untuk memastikan hasil yang optimal.

Bagian logam Binder Jetting yang disinter atau disusupi akan memiliki porositas internal (sintering menghasilkan 97% bagian padat, sedangkan infiltrasi sekitar 90%). Hal ini mempengaruhi sifat mekanik bagian Binder Jetting logam, karena rongga dapat menyebabkan timbulnya retakan. Kelelahan dan kekuatan patah serta perpanjangan putus merupakan sifat material yang paling dipengaruhi oleh porositas internal. Proses metalurgi tingkat lanjut (seperti pengepresan isostatik panas atau HIP) dapat diterapkan untuk menghasilkan komponen yang hampir tidak memiliki porositas internal. Untuk aplikasi yang mengutamakan kinerja mekanis, DMLS atau SLM adalah solusi yang direkomendasikan.

Keunggulan Binder Jetting logam dibandingkan DMLS/SLM adalah kekasaran permukaan dari bagian-bagian yang diproduksi. Biasanya, bagian Binder Jetted logam memiliki kekasaran permukaan Ra 6 μm setelah pasca-pemrosesan, yang dapat dikurangi menjadi Ra 3 μm jika digunakan langkah peledakan manik. Sebagai perbandingan, kekasaran permukaan bagian DMLS/SLM yang dicetak adalah sekitar Ra 12-16 μm. Hal ini khususnya bermanfaat untuk komponen dengan geometri internal , misalnya saluran internal, yang sulit dilakukan pasca-pemrosesan.

Tabel di bawah ini merangkum perbedaan sifat mekanik utama suku cadang Stainless Steel, dicetak dengan Binder Jetting dan DMLS/SLM:

Binder Jetting Stainless Steel 316 (sinter) Binder Jetting Stainless Steel 316 (infiltrasi perunggu) DMLS/SLM Baja Tahan Karat 316L Kekuatan Hasil 214 MPa 283 MPa 470 MPa Pemanjangan Putus 34% 14,5% 40% Modulus Elastisitas 165 IPK 135 IPK 180 IPK