Binder Jetting : procédé, avantages et applications

Le Binder Jetting (BJ) est une technologie de fabrication additive polyvalente utilisée pour imprimer des pièces en polymère, métal, céramique et sable. La technologie d’impression 3D par Binder Jetting utilise des matériaux pulvérulents sur lesquels une tête d’impression dépose sélectivement un liant liquide (binder) afin de fusionner les particules de poudre adjacentes et former une liaison. On peut la considérer comme un mélange de fusion sur lit de poudre et de projection de matériau, puisqu’elle utilise à la fois une poudre et un liant pour assembler les particules.

(source : Protolabs Network)

Comme la technologie Binder Jetting repose sur des matériaux en poudre, les pièces ne nécessitent pas de structures de support, ce qui permet l’impression de géométries complexes. Cette technologie BJ est idéale pour la fabrication en série, et fait partie des rares procédés d’impression 3D offrant des vitesses de fabrication nettement plus élevées et des coûts d’exploitation plus faibles que les procédés d’impression 3D métalliques basés sur le laser.

Qu’est-ce que le Binder Jetting ? Comprendre la technologie fondatrice de l’impression 3D

La technologie Binder Jetting est issue des imprimantes jet d’encre 2D largement utilisées au quotidien. Elle fonctionne sur un principe similaire, à la différence qu’elle imprime également sur l’axe Z.

Développée au Massachusetts Institute of Technology (MIT) et brevetée en 1993, cette technologie dépose un agent liant sur une poudre au lieu de l’encre sur du papier, permettant ainsi de créer des objets tridimensionnels solides.

Principales caractéristiques du procédé Binder Jetting :

Impression à température ambiante : évite les déformations et contraintes thermiques

Large gamme de matériaux : métaux, polymères, composites, sable

Auto-support : pas de supports nécessaires, réduction des coûts et du post-traitement

Vitesses extrêmement élevées : la technologie d’impression 3D métal la plus rapide

Volumes d’impression massifs : de 300 × 250 × 250 mm jusqu’à plus de 2200 × 1000 × 800 mm

Comment fonctionne le Binder Jetting (BJ) ?

(Processus Binder Jetting / Dassault Systèmes)

Décomposons le flux de travail du Binder Jetting, ce qui vous aidera également à comprendre pourquoi certaines applications conviennent parfaitement à cette technologie.

Les cinq étapes clés du workflow Binder Jetting

1. Préparation du fichier et découpe

Le processus d’impression 3D, quelle que soit la technologie, commence toujours par un fichier CAO. Idéalement, utilisez un fichier au format STEP et importez-le dans un logiciel de découpe (slicing). Le logiciel découpe votre modèle en milliers de fines couches et génère également des instructions sous forme de Gcode que l’imprimante Binder Jet pourra comprendre.

2. Étaler la poudre

Une fois le fichier connecté à l’imprimante et l’impression démarrée, un recoater étale une fine couche de poudre sur le plateau de construction. Il s’agit de la première couche, dont l’épaisseur correspond à celle définie dans le logiciel de découpe.

3. Dépôt sélectif du liant

Une fois la première couche prête, la tête d’impression se déplace sur le plateau et dépose l’agent liant liquide (binder) exactement aux endroits nécessaires afin de fusionner les particules de poudre adjacentes. L’impression de chaque couche fonctionne de manière similaire à une imprimante à jet d’encre. Certains systèmes avancés peuvent pulvériser jusqu’à 670 millions de gouttes par seconde.

4. Finalisation de la couche et descente

Une fois le liant déposé pour la première couche, la tête d’impression retourne à sa position de départ, et le plateau descend d’une distance égale à l’épaisseur d’une couche. Le recoater étale une nouvelle couche de poudre sur la précédente. Ce processus se répète jusqu’à l’impression complète de la pièce.

5. Extraction de la pièce

Une fois la pièce imprimée, elle reste encore dans le tas de poudre. Il faut retirer la pièce de la poudre libre, ce qui constitue l’étape de post-traitement : la poudre excédentaire est récupérée pour réutilisation et la pièce est nettoyée. Après ce nettoyage, la pièce est prête pour les étapes de post-traitement supplémentaires.

Exigences de post-traitement

Après le nettoyage, la pièce n’est pas encore prête. Ces pièces sont encore fragiles et sont appelées pièces « vertes ». Des étapes supplémentaires sont nécessaires pour les rendre solides et utilisables.

Pour les pièces métalliques :

Cuisson (Curing) – Un four basse température renforce les liaisons du liant.

Frittage (Sintering) – La chaleur élevée brûle le liant et fusionne les particules métalliques.

Infiltration – Parfois, les pores restants sont remplis de bronze ou d’autres matériaux.

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Avantages et inconvénients du Binder Jetting

Comme pour toute technologie, le Binder Jetting présente également ses propres avantages et limites. Nous les expliquerons afin que vous puissiez prendre des décisions éclairées sur quand utiliser ou ne pas utiliser ce procédé dans la fabrication additive.

(Vis M5 imprimées par Digital Metal / AMFG)

Avantages

Vitesse et débit

La technologie Binder Jet est idéale pour la fabrication en volume de pièces industrielles fonctionnelles. Dans l’univers de l’impression 3D, cette technologie prospère lorsque des volumes sont nécessaires. Elle offre ainsi une grande vitesse pour des séries où d’autres technologies peuvent paraître lentes.

Rentabilité

Le Binder Jetting est l’un des types d’imprimantes 3D les plus coûteux, mais ce n’est qu’une partie de l’histoire. Si l’on considère son prix et le nombre de pièces qu’il peut imprimer simultanément par rapport aux autres technologies de métallurgie additive, le Binder Jet métallique coûte généralement 10 fois moins que les procédés DMSL/SLM pour des pièces comparables. Cela peut sembler surprenant, mais c’est exact.

La poudre MIM en acier inoxydable coûte seulement 5 à 10 € par kilogramme, contre 50 à 100 € pour les poudres nécessaires aux autres systèmes métalliques. Cela permet une réduction des coûts des matériaux de 80 à 90 %. Pour un fabricant produisant des milliers de supports ou boîtiers par an, cela représente des centaines de milliers d’euros d’économies. Des entreprises comme GE Additive ont rapporté qu’en passant certaines pièces au Binder Jetting, les coûts par pièce ont été réduits de plus de 70 %.

Récemment, BMW a révélé qu’elle imprimait près de 4 000 noyaux en sable par jour en production de série sur 17 imprimantes.

Liberté de conception

Le processus de Binder Jetting n’a pas besoin de structures de support, car la pièce est soutenue par la poudre elle-même. Cela ouvre de nombreuses possibilités pour créer des géométries libres, des surplombs et des assemblages emboîtables — des conceptions qui donneraient des cauchemars aux ingénieurs de fabrication traditionnels.

Grands volumes de construction

Les systèmes de Binder Jetting peuvent être très volumineux. Les systèmes d’impression sur sable peuvent gérer des volumes allant jusqu’à 2200 x 1200 x 600 mm. Il est possible de fabriquer plusieurs pièces à la fois ou de produire de grands composants uniques.

Efficacité des matériaux

Près de 95 % de la poudre non liée est réutilisable et retourne directement dans votre approvisionnement en matériaux. C’est une technologie à très faible gaspillage, ce qui permet également de réaliser des économies et de bénéficier d’économies d’échelle pour réduire le coût par pièce sur l’ensemble de votre production.

Inconvénients

Finition de surface et porosité

La finition de surface dans la plupart des technologies d’impression 3D est rugueuse, et c’est également le cas du Binder Jetting. Étant donné qu’il s’agit d’une technologie à base de poudre, celle-ci laisse une texture sur les surfaces de la pièce imprimée. Ainsi, chaque pièce imprimée en Binder Jet doit subir un post-traitement pour obtenir des surfaces lisses.

Anisotropie

Les propriétés du matériau peuvent présenter une anisotropie (c’est-à-dire que les propriétés varient selon la direction de mesure), l’allongement montrant une dépendance directionnelle significative.

Exigences de post-traitement

Le post-traitement est particulièrement important pour le Binder Jetting et, parfois, le durcissement et le frittage peuvent prendre plus de temps que l’impression elle-même. Cela affecte la vitesse que vous avez gagnée pendant l’impression.

Matériaux compatibles avec le Binder Jetting

(Pièces en titane Binder Jetting / TriTech)

La technologie de Binder Jetting traite une large gamme de matériaux, le choix du matériau influençant de manière significative les paramètres de traitement ainsi que les caractéristiques finales des pièces.

Matériaux métalliques

a. Aciers inoxydables

SS 17-4PH : Ce matériau offre une grande résistance grâce à un durcissement par précipitation, adapté aux applications d’ingénierie exigeantes.

SS 316L : Matériau à densité supérieure à 96 % offrant une excellente résistance à la corrosion, idéal pour les dispositifs médicaux et les équipements de transformation alimentaire.

Acier à outils

M2 : Acier rapide adapté aux outils de coupe et composants résistants à l’usure.

H13 : Acier de travail à chaud optimisé pour le moulage par injection et la fonderie sous pression.

b. Matériaux pour sable et fonderie

Le Binder Jetting sur sable élimine le besoin de modèles traditionnels dans les opérations de moulage métallique. Grâce à cette technologie, les moules et noyaux en sable peuvent être imprimés en 3D, et littéralement n’importe quel métal peut ensuite être coulé, comme dans les moules en sable traditionnels. La machine de Binder Jetting utilise différents types de sable :

Sable de silice : Sable couramment utilisé, idéal pour les applications de moulage standard.

Sable de chromite : Sable de coût moyen, généralement utilisé pour des exigences de moulage à haute température.

Sable de zircon : Le sable le plus coûteux, utilisé uniquement pour le moulage de haute précision avec des tolérances dimensionnelles strictes.

c. Céramiques et matériaux spécialisés

Les céramiques à base de carbure de silicium (SiC) et d’oxydes peuvent être traitées avec des systèmes de liants appropriés. La technologie permet également le traitement de composites métal-polymère et de composites à base de bois pour des applications de fabrication durable.

Explorez les options de matériaux et les capacités de traitement pour répondre aux exigences spécifiques de votre application.

Applications pratiques du Binder Jetting

Voici quelques-unes des applications concrètes de la technologie Binder Jet.

Applications en fonderie et moulage métallique

Moules et noyaux en sable

Le moulage sable est une technique de fabrication de pièces métalliques très ancienne, qui n’a guère évolué depuis ses origines. Avec le Binder Jetting, cette technologie connaît enfin une innovation nécessaire. La création de moules et noyaux en sable est un travail fastidieux, nécessitant beaucoup de soin et présentant un risque élevé de casse.

Le Binder Jetting prend désormais complètement le relais pour la fabrication de prototypes et de petites séries en proposant une production sans modèle. Nous pouvons créer directement les moules et noyaux en sable et, après un certain post-traitement, le métal souhaité peut être coulé pour fabriquer les pièces.

Modèles pour moulage par investissement

Des pièces complexes, telles que les pales de turbines aéronautiques avec des passages de refroidissement impossibles à usiner, des implants médicaux aux géométries personnalisées, ou des composants de précision qui coûteraient une fortune à fabriquer de manière traditionnelle, peuvent désormais être moulées relativement facilement, tout en économisant temps, efforts et coûts.

Fabrication en Production

Industrie Automobile

Les constructeurs automobiles utilisent des machines de Binder Jetting 24h/24 pour fabriquer des gabarits et des montages qui accélèrent l’assemblage, des composants prototypes pour tests, des supports et boîtiers de production, des inserts pour moulage par injection, et plus encore. Comme mentionné précédemment, BMW utilise environ 17 machines de Binder Jetting pour imprimer des moules et noyaux en sable.

Applications Médicales et Dentaires

Le domaine médical adopte la personnalisation en fabriquant des prothèses adaptées à l’anatomie individuelle, des guides chirurgicaux pour des interventions précises, des comprimés pharmaceutiques à libération contrôlée, et des couronnes dentaires produites « sur place » pendant que vous attendez.

Prototypage et Développement de Nouveaux Produits

Les applications d’ingénierie lourde dans l’aérospatiale, l’aviation et la défense rencontrent souvent de nombreux défis pour fabriquer des pièces complexes. Ces secteurs innovent et itèrent constamment, et pour eux, le prototypage et le développement de nouveaux produits sont monnaie courante. Le Binder Jetting s’intègre parfaitement dans ce système et peut produire rapidement des prototypes, permettant ainsi d’accélérer les cycles de développement de nouveaux produits.

Binder Jetting vs autres technologies

Comment le Binder Jetting se compare-t-il à la concurrence ? Comparons point par point.

Binder Jetting vs. Fusion sur Lit de Poudre (PBF)
Vitesse et Productivité

La Fusion sur Lit de Poudre (PBF) utilise des lasers CO2 ou fibre pour fondre la poudre pendant l’impression, ce qui crée des contraintes résiduelles et nécessite des structures de support. Le processus à froid du Binder Jetting élimine totalement ces problèmes.

Considérations de Coût

Si vous souhaitez imprimer des pièces à forte variété et faible volume, le Binder Jetting est la technologie idéale. La PBF est plus pertinente pour des pièces très complexes et performantes en très petites quantités.

Binder Jetting vs. Material Jetting

Le Material Jetting utilise des photopolymères durcis aux UV, parfaits pour des pièces transparentes et des détails fins, mais fragiles. Le Binder Jetting permet d’obtenir de vrais matériaux fonctionnels et des pièces finales utilisables après un post-traitement adéquat.

Pour une analyse plus approfondie des différences entre ces deux méthodes, consultez notre comparaison détaillée : Binder Jetting vs. Material Jetting.

Écosystème Binder Jetting

(Systèmes HP Metal Jet / HP)

Jetons un œil aux leaders du marché dans l’industrie.

Principaux fabricants d’équipements

ExOne (partie de Desktop Metal)

Pendant deux décennies, ExOne a été à l’avant-garde de la technologie Binder Jetting. Desktop Metal a vu le potentiel et les a acquis pour 575 millions de dollars en 2021.

Leur gamme de produits comprend :

Innovent+ – La machine de recherche de référence pour tous les débutants

X1 Series – Systèmes grand format pour une production sérieuse

S-Series – Machines d’impression sable pour les fonderies

Autres acteurs notables

Voxeljet, un OEM allemand qui construit également des systèmes industriels de Binder Jetting

FZHL, un fabricant chinois de premier plan, propose une large gamme d’imprimantes 3D Binder Jetting de différentes tailles

HP a développé sa technologie propriétaire Multi Jet Fusion

Digital Metal propose également des imprimantes 3D Binder Jetting haute précision pour diverses applications

Conclusion : l’avenir du Binder Jetting

Le Binder Jetting a été l’une des premières technologies à être développée et aujourd’hui, elle impacte des secteurs clés tels que l’aéronautique, le maritime, l’espace, la défense, et bien d’autres. Son principal avantage est de permettre la fabrication économique de pièces complexes qui seraient autrement difficiles ou coûteuses à produire, même avec d’autres technologies d’impression 3D.

À mesure que la technologie évolue, devient moins chère et que sa bibliothèque de matériaux s’enrichit, les cas d’usage se multiplieront et l’adoption se généralisera.

Pour les clients souhaitant produire rapidement des pièces métalliques complexes et réduire les coûts de développement de nouveaux produits, le Binder Jetting est la technologie de choix.

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