O que é Binder Jetting? Processo, Benefícios e Aplicações

O binder jetting (BJ) é uma tecnologia versátil de manufatura aditiva usada para imprimir peças de polímero, metal, cerâmica e areia. A tecnologia de impressão 3D por binder jetting utiliza materiais em pó sobre os quais o cabeçote de impressão deposita seletivamente um agente de ligação líquido (cola) para fundir as partículas de pó adjacentes, formando um vínculo. Pode ser melhor compreendida como uma mistura das tecnologias de fusão de leito de pó e jato de material, pois usa material em pó e também uma cola para fundir as partículas.

(fonte: Protolabs Network)

Como a tecnologia de impressão 3D por binder jetting utiliza material em pó, as peças não necessitam de estruturas de suporte, permitindo a impressão de geometrias complexas. Essa tecnologia BJ é ideal para a produção em lote e é uma das únicas tecnologias de impressão 3D que alcança velocidades de construção significativamente mais rápidas e custos operacionais mais baixos em comparação com outros processos de impressão 3D a laser.

O que é Binder Jetting? Compreendendo a Tecnologia Original da Impressão 3D

A tecnologia de binder jetting surgiu das populares impressoras 2D a jato de tinta que todos usamos regularmente. O Binder Jetting também funciona com um princípio semelhante, apenas com a diferença de que essa tecnologia também imprime na direção Z.

A tecnologia de binder jetting foi desenvolvida no Massachusetts Institute of Technology e patenteado em 1993. Seu mecanismo fundamental assemelha-se à popular tecnologia de impressão 2D a jato de tinta, onde a tinta é depositada em papel, mas no binder jetting o agente de ligação é depositado sobre o material em pó e pode imprimir nas três direções, criando peças sólidas tridimensionais.

Diferenciais-chave do processo de manufatura aditiva Binder jetting:

Impressão à Temperatura Ambiente: O binder jetting imprime peças à temperatura ambiente, evitando assim os problemas comuns de deformação e tensão na impressão 3D.

Ampla gama de materiais: Pode imprimir com uma ampla variedade de materiais e graus, desde metais até polímeros, compósitos e areia.

Construções autossustentadas: Como o leito está cheio de pó, as peças impressas se sustentam sozinhas, não necessitando de estruturas de suporte, economizando material, custo e tempo de pós-processamento.

Velocidades altíssimas: Esta é a tecnologia de impressão 3D de metal mais rápida e, portanto, pode imprimir peças em lotes de baixo volume.

Grandes volumes de construção: As máquinas de binder jet são bastante grandes. Geralmente começam com um leito de 300 x 250 x 250 mm e podem chegar a 2200 x 1000 x 800 mm ou mais.

Como funciona o Binder Jetting (BJ)? Desvendando o Processo BJ

(Processo de Binder Jetting/Dassault Systems)

Vamos dividir o fluxo de trabalho do binder jetting, o que também ajudará você a entender por que certas aplicações são perfeitas para essa tecnologia.

O Fluxo de Trabalho de Impressão 3D por Binder Jet em Cinco Etapas

1. Preparação do Arquivo e Fatiamento

O processo de impressão 3D, independentemente da tecnologia, sempre começa com um arquivo CAD. Idealmente, use o formato de arquivo STEP e carregue-o em um software de fatiamento. O software fatiará seu modelo em milhares de camadas finas e também gerará instruções em forma de Gcode para que a impressora binder jet possa entender.

2. Espalhamento do Pó

Assim que esse arquivo é conectado à impressora e a impressão é iniciada, um espalhador entra em ação e espalha uma camada fina de material em pó sobre a mesa da impressora ou plataforma de construção. Esta é a primeira camada e sua espessura é igual à espessura de camada definida no software de fatiamento.

3. Deposição Seletiva do Agente de Ligação

Após a primeira camada estar pronta, o cabeçote de impressão se move sobre o leito e deposita o agente de ligação líquido (cola) sobre o pó exatamente nos pontos necessários para que as partículas de pó adjacentes se fundam. A impressão de cada camada funciona de forma semelhante à impressão a jato de tinta. Alguns sistemas avançados podem emitir 670 milhões de gotas por segundo.

4. Conclusão da Camada e Descida

Assim que o agente de ligação é depositado na primeira camada, o cabeçote retorna à posição inicial, o leito como um todo desce uma distância igual à espessura de uma camada. O espalhador é ativado e espalha uma nova camada de pó sobre a camada anterior. A partir desta camada, o processo se repete até que a peça inteira seja impressa.

5. Extração da Peça

Por fim, assim que a peça é impressa, ela ainda está dentro do monte de material em pó. Precisamos remover a peça do interior da areia solta, então ela vai para pós-processamento, onde o pó solto é removido e reutilizado, e a peça é limpa de qualquer excesso. Após a limpeza, a peça está pronta para mais pós-processamento.

Requisitos de Pós-Processamento

Assim que a peça é limpa do excesso de pó, ela ainda não está pronta. Essas peças ainda não são suficientemente resistentes e são chamadas de peças “verdes”. Etapas adicionais são necessárias para torná-las resistentes ao uso.

Para Peças de Metal:

Cura – Um forno de baixa temperatura fortalece os vínculos do agente de ligação

Sinterização – Alto calor queima o agente de ligação e funde as partículas de metal

Infiltração – Às vezes, você preenche os poros restantes com bronze ou outros materiais

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Quais são as Vantagens e Desvantagens da Impressão 3D por Binder Jetting?

Como qualquer tecnologia, o binder jetting também tem seu próprio conjunto de vantagens e limitações. Vamos explicá-las para que você possa tomar decisões informadas sobre quando usar ou não o processo de binder jetting na manufatura aditiva.

(Parafusos M5 impressos em 3D usando o sistema Digital Metal/AMFG)

Vantagens da Impressão 3D por Binder Jet

Velocidade e Produtividade

A tecnologia de binder jet é ideal para fabricar peças industriais funcionais em volume. No universo da impressão 3D, esta é uma tecnologia que se destaca com certo volume. E assim oferece velocidade para tamanhos de lote onde outras tecnologias podem ser lentas.

Custo-Benefício

O binder jetting é um dos tipos mais caros de impressoras 3D, mas essa é apenas metade da história. Se você considerar seu preço e a quantidade de peças que pode imprimir por vez em comparação com outras tecnologias de impressão 3D de metal, o binder jetting de metal geralmente custa 10 vezes menos que os processos DMSL/SLM para peças comparáveis. Pode parecer que estamos enganados, mas não estamos.

O pó MIM de aço inoxidável custa apenas €5–10 por quilo versus €50–100 para os pós necessários para outros sistemas de metal. Isso por si só pode gerar uma redução de 80–90% no custo do material. Para um fabricante que produz milhares de suportes ou caixas por ano, isso se traduz em economia de centenas de milhares de dólares. Empresas como a GE Additive relataram que a mudança de peças apropriadas para o binder jetting reduziu seus custos por peça em mais de 70%.

Recentemente, a BMW revelou que imprime cerca de 4.000 núcleos de areia por dia em produção em larga escala em 17 impressoras.

Liberdade de Design

O processo de binder jetting não precisa de estruturas de suporte, pois a peça é sustentada pelo próprio material em pó. E isso abre uma infinidade de oportunidades para criar geometrias livres, reentrantes, conjuntos interligados — designs que dariam pesadelos a engenheiros de manufatura tradicional.

Grandes Volumes de Construção

Os sistemas de binder jetting podem ser muito grandes. Sistemas de impressão de areia podem lidar com volumes de até 2200 x 1200 x 600 mm. Construa várias peças ao mesmo tempo ou vá grande com componentes únicos.

Eficiência de Material

Quase 95%+ do material em pó não ligado é reutilizável e volta diretamente para o estoque de material. É uma tecnologia de super baixo desperdício, o que também significa economia de custos e oferece certa economia de escala para reduzir os custos por peça em toda a produção.

Desvantagens da Impressão 3D por Binder Jet

Acabamento de Superfície e Porosidade

O acabamento de superfície na maioria das tecnologias de impressão 3D é áspero e o mesmo ocorre com o binder jetting. Como é uma tecnologia baseada em pó, o pó imprime uma textura nas superfícies da peça impressa. Assim, cada peça de binder jet precisa de acabamento de superfície para obter superfícies lisas.

Anisotropia

As propriedades do material podem exibir anisotropia (ou seja, as propriedades variam com a direção de medição), com alongamento mostrando uma dependência direcional significativa.

Requisitos de Pós-Processamento

O pós-processamento é extra importante no Binder jetting e, às vezes, a cura e a sinterização podem levar mais tempo que a própria impressão. Isso impacta a velocidade conquistada na impressão.

Materiais de Binder Jetting: Dos Metais à Areia

(Peças de titânio por Binder Jetting da TriTech/TriTech)

A tecnologia de binder jetting processa uma ampla gama de materiais, sendo que a seleção do material influencia significativamente os parâmetros de processamento e as características finais da peça.

Materiais Metálicos

a. Aços Inoxidáveis

SS 17-4PH: Este material oferece alta resistência por endurecimento por precipitação para aplicações de engenharia exigentes.

SS 316L: Este é um material com 96%+ de densidade que oferece excelente resistência à corrosão e é ideal para dispositivos médicos e equipamentos de processamento de alimentos.

Aços para Ferramentas

M2: Este é um aço de alta velocidade adequado para ferramentas de corte e componentes resistentes ao desgaste.

H13: Este aço para trabalho a quente é otimizado para aplicações de moldagem por injeção e fundição sob pressão.

b. Areia e Materiais de Fundição

O binder jetting de areia elimina os requisitos tradicionais de padrões em operações de fundição de metal. Com a tecnologia, moldes e núcleos de areia podem ser impressos em 3D e, literalmente, qualquer metal pode ser fundido, como ocorre em moldes de areia tradicionais. Para isso, a máquina de binder jetting usa areia como:

Areia de sílica: Esta é uma areia comumente usada, ideal para aplicações padrão de fundição

Areia de cromita: Esta é uma areia de custo médio, geralmente usada para requisitos de fundição de alta temperatura

Areia de zircão: Esta areia é a mais cara e usada apenas para fundição de alta precisão com tolerâncias dimensionais rígidas

c. Cerâmicas e Materiais Especiais

Carbeto de silício (SiC) e cerâmicas à base de óxido são processadas com sucesso com sistemas de ligação apropriados. A tecnologia também permite o processamento de compósitos metal-polímero e compósitos à base de madeira para aplicações de manufatura sustentável.

Explore opções de materiais e capacidades de processamento para seus requisitos específicos de aplicação.

Aplicações Práticas: Para que o Binder Jetting é Usado?

Aqui estão algumas das aplicações práticas do mundo real da tecnologia de binder jet.

Aplicações de Fundição de Metal e Fundição

Moldes e Núcleos de Areia

A fundição em areia é uma tecnologia antiga de fabricação de peças de metal, mas não mudou desde sua descoberta nos tempos antigos. Com o binder jetting, essa tecnologia está vendo uma inovação muito necessária. Criar moldes e núcleos de areia é um trabalho tedioso. Também requer cuidado e tem alta possibilidade de quebra.

O binder jetting agora está completamente assumindo a manufatura de protótipos e pequenos lotes, oferecendo manufatura sem padrões. Podemos criar diretamente moldes e núcleos de areia e, com algum pós-processamento, o metal desejado pode ser despejado e as peças podem ser fabricadas.

Padrões de Fundição por Investimento

Peças complexas como lâminas de turbina aeroespacial com passagens de resfriamento impossíveis de usinar, implantes médicos com geometrias específicas do paciente, componentes de precisão que custariam uma fortuna para ferramental tradicionalmente, agora podem ser fundidos com relativa facilidade, economizando tempo, esforço e custo.

Manufatura em Produção

Indústria Automotiva

Os fabricantes de carros operam máquinas de binder jetting 24 horas por dia para fabricar jigs e fixações que aceleram a montagem, componentes de protótipo para testes, suportes e caixas de produção, inserts de moldagem por injeção e muito mais. Como mencionamos anteriormente, a BMW opera cerca de 17 máquinas de binder jet para imprimir moldes e núcleos de areia.

Aplicações Médicas e Dentárias

O campo médico abraça a personalização, construindo próteses adaptadas à anatomia individual, guias cirúrgicos para procedimentos precisos, comprimidos farmacêuticos de liberação controlada, coroas dentárias produzidas enquanto você espera.

Prototipagem e Desenvolvimento de Novos Produtos

Aplicações de engenharia pesada em aeroespacial, aviação e defesa frequentemente enfrentam muitos desafios para fabricar peças complexas. São setores que estão constantemente inovando e iterando e, para eles, prototipagem e desenvolvimento de novos produtos é comum. O binder jetting se encaixa perfeitamente nesse sistema e pode rapidamente produzir protótipos que levam a ciclos mais rápidos de desenvolvimento de novos produtos.

Binder Jetting vs. Outras Tecnologias: Uma Análise Comparativa

Como o binder jetting se compara à concorrência? Vamos comparar maçãs com maçãs.

Binder Jetting vs. Fusão de Leito de Pó (PBF)

Velocidade e Produtividade

A Fusão de Leito de Pó (PBF) usa lasers de CO2 ou fibra para fundir o pó durante a impressão — isso cria tensão residual e exige estruturas de suporte. O processo frio do binder jetting elimina ambos os problemas completamente.

Considerações de Custo

Se você quer imprimir peças de alto mix e baixo volume, então o binder jetting é a tecnologia ideal. PBF faz sentido quando você precisa de peças intricadas e de alto desempenho em quantidades muito baixas.

Binder Jetting vs. Material Jetting

O material jetting usa fotopolímero curado por UV, ótimo para peças transparentes e detalhes finos, mas é frágil. O binder jetting oferece materiais funcionais reais e peças de uso final após pós-processamento adequado.

Para uma análise mais aprofundada das distinções entre esses dois métodos, mergulhe em nossa comparação frente a frente: Binder Jetting vs. Material Jetting.

O Ecossistema do Binder Jetting: Máquinas, Empresas e Serviços

(Sistemas HP Metal Jetting/HP)

Vamos dar uma olhada nos líderes de mercado da indústria.

Principais Fabricantes de Equipamentos

ExOne (Parte da Desktop Metal)

Por duas décadas, a ExOne liderou a corrida do binder jetting. A Desktop Metal viu o potencial e a adquiriu por US$ 575 milhões em 2021.

Sua linha de produtos inclui:

 Innovent+ – A máquina de pesquisa com que todos começam

 X1 Series – Sistemas de grande formato para produção séria

 S-Series – Monstros de impressão de areia para trabalho de fundição

Outros Players Notáveis

 Voxeljet, uma OEM alemã que também constrói sistemas industriais de binder jetting.

 FZHL, um fabricante chinês líder de impressoras 3D, oferece uma ampla gama de impressoras 3D de binder jetting em vários tamanhos.

 HP desenvolveu sua tecnologia proprietária Multi Jet Fusion.

 Digital Metal também oferece impressoras 3D de binder jet de alta precisão usadas para várias aplicações.

Conclusão: O Futuro da Tecnologia de Impressão 3D por Binder Jetting

O binder jetting foi uma das primeiras tecnologias a serem desenvolvidas e hoje está impactando áreas centrais como aviação, marítimo, espaço, defesa e mais. Sua maior vantagem é que pode fabricar peças complexas de forma econômica que, de outra forma, seriam difíceis ou caras de produzir, mesmo em outras tecnologias de impressão 3D.

À medida que a tecnologia evolui e se torna mais barata e sua biblioteca de materiais cresce, os casos de uso também crescerão e a adoção se expandirá.

Para clientes que desejam fabricar peças de metal complexas com velocidade e reduzir os custos de desenvolvimento de novos produtos, o binder jetting é a tecnologia de escolha.

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