Binder Jetting klingt auf den ersten Blick nach einem simplen Prinzip: Eine dünne Pulverschicht wird aufgetragen, ein Bindemittel gezielt eingespritzt, und Schicht für Schicht entsteht so das gewünschte Bauteil. Bei Metallbauteilen wird der entstandene „Grünling“ anschließend gesintert, sodass sich alle Partikel gleichmäßig zu einem festen Bauteil verbinden.
In der Praxis zeigt sich jedoch schnell, dass diese scheinbar einfache Technologie enorme Herausforderungen birgt – vor allem, wenn es um hochwertige Spezialwerkstoffe geht.
Die Herausforderung: Feine Pulver sind schwer zu kontrollieren
Um Bauteile mit hoher Qualität aus Premium-Materialien zu drucken, müssen möglichst feine Pulver verarbeitet werden. Feine Partikel – etwa mit einer mittleren Korngröße von 8 bis 10 Mikrometern, wie sie bei MIM-Pulvern (Metal Injection Molding) üblich sind – sorgen dafür, dass sich beim Sintern eine dichte, gleichmäßige Mikrostruktur ausbildet. Nur so lassen sich zuverlässige mechanische Eigenschaften erzielen.
Das Problem: Genau diese feinen Pulver sind besonders schwer zu verarbeiten. Sie neigen zum Verklumpen, können beim Auftragen Staubwolken bilden und werden durch auftreffende Bindertropfen leicht verschoben oder aufgewellt. Je größer die zu bedruckende Fläche, desto schwieriger wird es, eine gleichmäßige Pulverschicht zu erzeugen. Erst nach dem Sintern zeigt sich, ob der Beschichtungsprozess wirklich sauber funktioniert hat – Fehler in der Pulverbindung werden dann unweigerlich sichtbar.
Die Lösung: Triple ACT
Um dieses Problem zu lösen, hat Desktop Metal die patentierte Triple Advanced Compaction Technology (Triple ACT) entwickelt. Sie macht die X-Series-Binder-Jetting-Systeme des Unternehmens für ein breites Spektrum an Premium-Materialien einsetzbar – darunter Aluminium-, Kupfer- und Wolframlegierungen, Metallverbundwerkstoffe sowie technische Keramiken wie Siliciumcarbid und Borcarbid (B₄C).
Der Name ist Programm: Triple ACT adressiert drei zentrale Teilschritte, die für eine gleichmäßige, dünne Pulverschicht entscheidend sind – Dosieren, Verteilen und Verdichten. Da jeder dieser Schritte eigene physikalische Herausforderungen mit sich bringt, hat das Entwicklungsteam für jeden Schritt eine eigene, spezialisierte Lösung entwickelt.
ACT Eins: Dosieren mit einem ultraschallbasierten Trichter
Um Verklumpung und Staubbildung zu vermeiden, hat das Team Pulver-Handling-Verfahren aus anderen Industrien untersucht. Daraus entstand ein neuartiges Trichterdesign mit einem Dosiersieb, das per Ultraschall in Schwingung versetzt wird. So lässt sich eine präzise dosierte Pulvermenge kontrolliert über die gesamte Baufläche verteilen – auch bei sehr unterschiedlicher Fließfähigkeit der Pulver. Das System ist zudem skalierbar und liefert auch bei großen Bauflächen eine gleichmäßig feine Pulverschicht.
ACT Zwei: Verteilen mit einer neu entwickelten Riffelwalze
Klassisch wurde Pulver beim Binder Jetting mit einer einfachen Walze verteilt und verdichtet – ein Ansatz, der bei kleinen Bauflächen funktionierte, bei größeren Systemen aber an Grenzen stieß. Statt das Pulver gleichmäßig zu verteilen, verdichtete die klassische Walze es eher in der Nähe der ursprünglichen Ablagestelle.
Deshalb hat Desktop Metal die Funktionen Verteilen und Verdichten getrennt und für beide eine eigene Walze entwickelt. Die neue Verteilerwalze besitzt eine spezielle Riffelstruktur, die das Pulver nach dem Dosieren gleichmäßig aufnimmt und verteilt – und so einen gleichmäßigen Pulverhaufen für den nächsten Schritt erzeugt. Die Riffelung hilft zudem, Druckfehler durch „Kurzverteilung“ zu vermeiden, wenn lokal nicht genug Material dosiert wurde.
ACT Drei: Verdichten als entscheidender letzter Schritt
Im letzten Schritt wird das gleichmäßig verteilte Pulver verdichtet, damit der später aufgebrachte Binder eine möglichst feste Verbindung zwischen den Partikeln erzeugen kann. Dabei ist Fingerspitzengefühl gefragt: Zu viel Druck könnte bereits gedruckte, aber noch nicht vollständig ausgehärtete Schichten darunter beschädigen.
Ein anschauliches Bild dafür: Es ist, als würde man frischen Sand auf eine noch feuchte Sandburg auftragen und mit einer Walze glätten – genug Kraft, um die neue Schicht zu verdichten, aber nicht so viel, dass die darunterliegende Struktur beschädigt wird. Da bereits gedruckte Schichten empfindlich auf Störungen in X-, Y- und Z-Richtung reagieren, müssen sowohl die Verdichtungskraft als auch die exakte Position in der Z-Achse präzise kontrolliert werden. Die Verdichtungswalze von Triple ACT verfügt zudem über eine spezielle Oberflächenbeschaffenheit, die verhindert, dass das Pulver in diesem letzten Schritt erneut verschoben wird.
Wissenschaftlich untermauert
Die Bedeutung von Walzensystemen für die Bauteilqualität wird auch durch unabhängige Forschung gestützt. Eine 2018 in der Fachzeitschrift Additive Manufacturing veröffentlichte Studie der University of Waterloo kam zu dem Ergebnis, dass die Verdichtung durch Walzenrotation die Dichte des „Grünlings“ deutlich erhöht und gleichzeitig dazu beiträgt, ein Verrutschen von Schichten durch austretenden Binder zu reduzieren.
Die Ergebnisse: Höhere Dichte, weniger Schwankung
In der Kombination sorgt Triple ACT für eine präzise Dosierung, Verteilung und Verdichtung feiner Pulver und erreicht damit eine für die Branche führende Bauteildichte sowie die Reproduzierbarkeit, die für den Druck von Premium-Materialien – gerade bei großen Bauflächen – notwendig ist.
Konkret erzielt das System je nach Material Dichten von 97 % oder mehr. Die Dichteschwankung über die gesamte Baufläche hinweg liegt bei nur bis zu 0,3 %, je nach Material – eine Verbesserung von rund 90 % gegenüber früheren Binder-Jetting-Systemen, bei Schichtdicken von bis zu 30 Mikrometern. Zuvor zeigten Bauteile an den äußeren Rändern der Baufläche typischerweise eine geringere Dichte als in der Bettmitte – ein Problem, das Triple ACT deutlich reduziert.
Die Desktop Metal X-Series
Wer einen Binder Jetting Drucker kaufen möchte, findet in der X-Series ein von Anfang an auf Skalierbarkeit ausgelegtes System: von der InnoventX als ideale Plattform für Forschung und Prototyping über den X25Pro bis hin zum X160Pro, der Anwendungen in Serienproduktionsvolumen überführt. Piezoelektrische Druckköpfe der Spitzenklasse kombiniert mit der Triple-ACT-Pulververdichtung ermöglichen so eine branchenführende Dichte bei einer Vielzahl schwer verarbeitbarer Materialien – von Hartmetallen und Werkzeugstählen bis hin zu technischen Keramiken wie Siliciumcarbid.
Mit Triple ACT positioniert Desktop Metal seine X-Series-Systeme als produktionsreife Lösungen für das, was das Unternehmen als „Additive Manufacturing 2.0“ bezeichnet: die digitale Massenproduktion industrieller, medizinischer und Konsumgüter-Bauteile in bislang schwer zugänglichen Spezialwerkstoffen.
