Là một trong những công nghệ in 3D hiện nay, Binder Jetting với tên tiếng Việt là in 3D phun chất kết dính, được coi là quy trình sản xuất bồi đắp nhanh nhất để sản xuất các bộ phận yêu cầu cao về chức năng và độ chính xác.

Binder Jetting sử dụng vật liệu dạng bột - như kim loại, vật liệu tổng hợp, cát và gốm sứ - được trải ra để tạo ra lớp bột mịn tương tự như phương pháp được sử dụng trong quá trình thiêu kết laser chọn lọc (SLS). Tuy nhiên, thay vì sử dụng tia laser để thiêu kết các lớp bột, Binder Jetting sử dụng đầu in công nghiệp để phun chất liên kết lỏng lên bột. Sau khi được tạo hình, các bộ phận cần được xử lý (nếu làm từ nhựa) hoặc thiêu kết (nếu làm bằng kim loại) để hoàn thiện bộ phận.

LỊCH SỬ

Quy trình Binder Jetting được phát triển lần đầu tiên tại Viện Công nghệ (MIT) vào đầu những năm 1990 nhằm in các bộ phận phức tạp bằng vật liệu công nghiệp.

ExOne đã nhận được giấy phép độc quyền cho phương pháp phun chất kết dính trong sản xuất bồi đắp vào năm 1996 và ra mắt máy in 3D phun chất kết dính thương mại đầu tiên dành cho kim loại, RTS-300, vào năm 1998. Ra mắt máy in 3D cát đầu tiên, S15, vào năm 2002, ExOne đã được Desktop Metal mua lại vào năm 2021.

QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG

Dưới đây là từng bước của quy trình phun chất kết dính:

Bước 1:

Đầu tiên, một lớp bột được trải lên bề mặt in tương tự như các phương pháp in sử dụng bột khác.

Bước 2:

Đầu phun chất kết dính, tương tự như những đầu phun được sử dụng cho máy in để bàn 2D, di chuyển trên bàn in và phun có chọn lọc các giọt chất kết dính lên bề mặt bột để liên kết các hạt bột lại với nhau. Máy cũng có thể in màu bằng cách dùng chất kết dính theo màu sắc mà người dùng muốn in ra. Mỗi giọt chất kết dính có đường kính khoảng 80 μm, điều này cho phép sản phẩm in đạt được độ hoàn thiện tốt.

Bước 3:

Sau khi lớp đầu tiên hoàn thành (dựa trên thiết kế CAD), bề mặt in sẽ di chuyển xuống và một lớp bột khác sẽ được phủ lên trên lớp in đầu tiên.

Bước 4:

Lặp lại bước hai và ba cho đến khi hoàn thành phần cuối cùng.

Bước 5:

Sau khi quá trình in hoàn tất, một số vật liệu sẽ yêu cầu bước xử lý hậu kỳ để hoàn thiện bộ phận. Các bộ phận phun chất kết dính kim loại cần được xử lý nhiệt (ví dụ như thiêu kết) hoặc thẩm thấu bằng kim loại có điểm nóng chảy thấp, chẳng hạn như đồng. Bước này là do một số vật liệu rời khỏi máy in ở trạng thái được gọi là trạng thái 'xanh', nghĩa là chúng có đặc tính cơ học kém và có thể có độ giòn và độ xốp cao. Các bộ phận bằng cát thường không cần bước xử lý hậu kỳ.

THÔNG SỐ IN

Hầu như tất cả các thông số quy trình được sử dụng trong quá trình phun chất kết dính đều được các nhà sản xuất máy cài đặt sẵn, tuy nhiên, chiều cao lớp điển hình thay đổi tùy theo vật liệu được sử dụng. Các mô hình in có màu thường yêu cầu chiều cao từng lớp là 100 micron trong khi các bộ phận kim loại sử dụng chiều cao lớp in chỉ 50 micron. Vật liệu đúc cát thường sử dụng chiều cao lớp cao hơn nhiều so với hai vật liệu trên, từ 200 đến 400 micron.

NGUYÊN LIỆU

Công nghệ Binder Jetting sử dụng các nguyên liệu dạng bột mà phổ biến nhất là kim loại và gốm sứ. Điều đặc biệt đó là bột sử dụng trong công nghệ này hoàn toàn có thể được tái chế.

Ngoài các ứng dụng công nghiệp, quy trình Binder Jetting thậm chí còn được ứng dụng vào làm bánh, với các doanh nghiệp như The Sugar Lab sử dụng tính năng in 3D với các hạt đường và nước để tạo ra các loại bánh kẹo.

                                Chocolate in bằng công nghệ Binder Jetting

ƯU ĐIỂM

Ưu điểm chính của phun chất kết dính là quá trình in có thể được thực hiện trong nhiệt độ phòng, nghĩa là các bộ phận được in ra không bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ. Nhờ vậy, máy in Binder Jetting là một trong số thể loại máy có thể tích in lớn nhất trong số các công nghệ in 3D. Các máy lớn nhất (lên tới 2200 x 1200 x 600 mm) thường được sử dụng để sản xuất khuôn đúc cát.

Các vật thể in bằng Binder Jetting cũng không yêu cầu cấu trúc hỗ trợ. Thay vào đó, lớp bột trong thể tích in đồng thời có thể hỗ trợ được phần đã được in. Điều này không chỉ loại bỏ bước xử lý hậu kỳ để loại bỏ cấu trúc hỗ trợ mà còn cho phép người sử dụng tối đa hóa thể tích in.

                       Cấu trúc máy in 3D Binder Jetting

Phun chất kết dính tạo ra các bộ phận kim loại có độ nhám bề mặt thấp (thấp tới Ra 3 μm nếu sử dụng bước phun hạt) so với DMLS/SLM (Ra 12-16 μm). Với độ nhám bề mặt thấp, Binder Jetting hoàn toàn phù hợp để sản xuất các bộ phận có rãnh bên trong và hình dạng khó để xử lý hậu kỳ.

Phun chất kết dính cũng nhanh hơn và tiết kiệm chi phí hơn nhiều kỹ thuật sản xuất bồi đắp khác, có thể chế tạo nhanh chóng bằng cách sử dụng nhiều vòi hoặc lỗ đầu in để tạo ra nhiều bộ phận cùng một lúc.

NHƯỢC ĐIỂM

Nhược điểm lớn nhất của công nghệ in Binder Jetting là là độ chính xác và dung sai, sự co rút của bộ phận trong quá trình hậu kỳ rất khó để có thể dự đoán trước một cách chính xác. Ví dụ: các bộ phận kim loại có kích thước nhỏ có thể co lại tới 2% và hơn 3% đối với các bộ phận lớn hơn. Ngoài ra, quá trình thiêu kết có thể gây ra độ co trung bình 20% và cũng có thể dẫn đến cong vênh.

Nhiệt được sử dụng trong quá trình thiêu kết cũng có thể làm biến dạng các bộ phận bởi trọng lượng của chính chúng. Mặc dù những vấn đề này có thể được khắc phục nhưng độ co không đồng nhất giữa các phần của một bột phận khó có thể giải quyết được.

Các bộ phận sản xuất bằng Binder Jetting cũng có thể có tính chất cơ học kém do độ xốp bên trong. Độ xốp này có thể được giảm bằng cách thiêu kết (tạo ra các phần có mật độ 97%) hoặc thẩm thấu (các phần có mật độ 90%), nhưng nó có thể để lại các khoảng trống và dễ hình thành vết nứt.

BINDER JETTING ĐƯỢC SỬ DỤNG ĐỂ LÀM GÌ?

Binder Jetting thường được sử dụng để sản xuất các nguyên mẫu (prototype) yêu cầu có màu sắc, các bộ phận kim loại giá rẻ và để sản xuất lõi và khuôn đúc cát lớn. Do chi phí thấp và thời gian sản xuất nhanh, quy trình này thậm chí còn được sử dụng để sản xuất phụ kiện cho ngành công nghiệp điện ảnh và được hệ thống in di động sử dụng để sản xuất các bộ phận thay thế trên chiến trường cho quân đội Hoa Kỳ. Phun chất kết dính cũng đã được sử dụng trong sản xuất đồ trang sức.

                                Đồ chơi in bằng công nghệ Binder Jetting

BỘ PHẬN IN BẰNG CÔNG NGHỆ BINDER JETTING CÓ BỀN KHÔNG?

Tính bền vững bao gồm nhiều yếu tố, nhưng Binder Jetting chắc chắn mang lại một số lợi ích về môi trường khi so sánh với các phương pháp sản xuất khác.

Thứ nhất, do quá trình phun chất kết dính sử dụng nhiều loại vật liệu dạng bột nên có thể người dùng có thể dễ dàng tìm nguồn cung ứng. Ngoài ram giống như tất cả các phương pháp sản xuất bồi đắp khác, phun chất kết dính có mức độ lãng phí vật liệu rất thấp và sử dụng năng lượng thấp so với các phương pháp sản xuất thông thường. Nhờ vào tốc độ và khả năng sản xuất khối lượng lớn của công nghệ này, lượng khí thải carbon thải ra môi trường sẽ được giảm thiểu.

Bên cạnh đó, Binder Jetting không yêu cầu phải có các cấu trúc hỗ trợ. Do đó, quy trình xử lý các cấu trúc hỗ trợ được loại bỏ. Điều này giúp tiết kiệm thời gian sản xuất cũng như loại bỏ hoàn toàn phần nguyên liệu cần dùng để in các phần cấu trúc hỗ trợ.

article