Jak już wiecie, Desktop Metal oficjalnie ogłosił bankructwo. Nano Dimension – właściciel jego rozkładających się resztek zapowiedział, że spróbuje pozbyć się wszystkiego co ma jeszcze jakąkolwiek wartość. Istnieje realna szansa, że dzięki temu uratowany zostanie np. doskonały biznes piaskowy niemieckiego oddziału ExOne.
Ale na uratowanie segmentu metal binder jetting raczej nie ma szans. A przynajmniej nie tego w wersji Desktop Metal…
Tym samym istnieje wysokie prawdopodobieństwo, że flagowa metoda produkcyjna dawnego jednorożca zniknie z rynku, a jeśli się odnowi to tylko w nowej formie pod zupełnie nowym sztandarem.
Ponieważ tajemnicą poliszynela jest że HP nie rozwija już aktywnie swojej wersji metalowego druku 3D, a i Colibrium Additive jest dość powściągliwe w ogłaszaniu kolejnych przełomów w tej dziedzinie. Nic nie sugeruję – piszę co ludzie mówią.
Czy to oznacza zatem koniec technologii metal binder jetting? Czy możliwe jest odrodzenie się tej techniki w innej formie?
Aby odpowiedzieć na te pytania musimy zrozumieć dokładnie na czym ten proces polega, oraz gdzie są jego zalety i wady. Odkryjemy wtedy, że kluczem do rozwiązania problemu jest – co za niespodzianka – oprogramowanie!
Krótkie przypomnienie – jak działa binder jetting?
Proces ten opiera się na nanoszeniu cienkich warstw sproszkowanego materiału metalicznego, który jest miejscowo selektywnie sklejany za pomocą ciekłego lepiszcza w obszarach odpowiadających przekrojowi cyfrowego modelu 3D.
Głowica natryskowa precyzyjnie dozując krople lepiszcza, „drukuje” kolejno każdą warstwę, a po ukończeniu jednej warstwy platforma obniża się o grubość warstwy, a nad nią nakładana jest następna porcja proszku.
Tak powstaje tzw. “green part” — czyli taka, która składa się z proszku związanego lepiszczem, lecz jeszcze nie jest w pełni zwarta.
Następuje usunięcie nadmiaru luźnego proszku, po czym green część kierowana jest do wygrzewania (debinding) i wytapiania (sintering).
Początki metal binder jetting sięgają 1995 roku, kiedy to amerykańska firma Extrude Hone rozpoczęła prace nad rozwojem druku 3D z metalu. Firma opracowała i w 1998 roku wprowadziła na rynek pierwszą komercyjną drukarkę 3D do metalu, wykorzystującą technologię binder jetting opracowaną na MIT.
System ProMetal RTS-300 nakładał lepiszcze na złoże proszku metalowego, tworząc tzw. „zielone części”, które następnie poddawano procesom odklejania i spiekania.
W 2005 roku założyciel Extrude Hone, Larry Rhoades, dostrzegł ogromny potencjał technologii binder jettingu metalu i sprzedał firmę koncernowi Kennametal — globalnemu dostawcy narzędzi i materiałów przemysłowych — jednocześnie przekazując aktywa związane z drukiem 3D nowo utworzonej spółce „The Ex One Company, LLC”.
Tak narodziła się firma ExOne. W 2013 roku spółka zadebiutowała na amerykańskiej giełdzie, by ostatecznie zostać przejętą przez Desktop Metal.
Zalety i wady
Zaletą binder jetting jest szybkość druku i fakt że proces nie wymaga dodatkowego źródła ciepła ani lasera o dużej mocy. Ponadto, technologia ta cechuje się dużą elastycznością w doborze materiałów — proszki o dowolnym składzie chemicznym i kształcie ziaren mogą być stosowane pod warunkiem optymalnego dobrania parametru gęstości pakowania oraz lepkości lepiszcza.
Kolejną zaletą jest ekonomia materiału, gdyż proszek, który nie uczestniczy w spiekaniu, może być wielokrotnie regenerowany i ponownie wykorzystany, co obniża koszty eksploatacji.
Równocześnie technologia binder jettingu napotyka istotne ograniczenia dotyczące kontroli wymiarowej i jednorodności struktury spieku. Ponieważ zielone parts w formie luźno związanej masy proszku są jedynie delikatnie utrzymywane przez lepiszcze, podczas fazy debinding oraz w trakcie samego spiekania dochodzi do znacznych, trudnych do przewidzenia skurczów, mogących przekraczać nawet kilkanaście procent liniowo.
W niedawnej dyskusji na temat Desktop Metal na LinkedIn – Suman Das, jeden z największych autorytetów w branży AM na świecie stwierdził, że w klasycznej metalurgii proszkowej stosuje się prasowanie i konsolidację materiału przed sintering, co umożliwia precyzyjną kontrolę odkształceń i skurczów.
Binder jetting natomiast opiera się na rozpraszaniu proszku (spreading) bez wstępnej konsolidacji, przez co zjawisko skurczu i zniekształceń pozostaje znacznie mniej kontrolowane.
Gotowe części mogą cechować się nieakceptowalnymi odchyłkami wymiarowymi i brakiem jednorodności mikrostruktury, co przekłada się na nieprzewidywalność właściwości mechanicznych.
W konsekwencji okazuje się, że ta technologia ma bardzo dużo ograniczeń i szereg detali jest po prostu niemożliwa do wyprodukowania z uwagi na problemy ze skurczem (szczególnie dotyczy to kwestii cienkich ścianek ustawionych względem siebie lub otworów).
Projektanci musieli przewidzieć bardzo dużo rzeczy przed wypuszczeniem części do druku 3D, co wymagało równocześnie sporej mocy obliczeniowej.
W metal binder jetting kluczowe jest oprogramowanie
Oprogramowanie w kontekście binder jetting z metali stanowi serce problemu, gdyż to ono w największym stopniu decyduje o sukcesie procesu, potrafiąc zarówno przewidywać, jak i kompensować występujące skurcze, a jednocześnie optymalizować parametry druku i programu spiekania.
Tradycyjne systemy CAD/CAM oferują co prawda funkcje kompensacji wymiarowej, jednak w przypadku skurczów przekraczających kilka procent są one niewystarczające.
Aby opracować nowoczesne oprogramowanie dedykowane binder jetting metali, trzeba wdrożyć zaawansowane modele numeryczne zdolne do symulacji pełnego cyklu termomechanicznego od temperatury pokojowej poprzez fazę odgazowywania spoiwa, aż po maksymalne temperatury spiekania.
Modele te muszą uwzględniać nie tylko właściwości mechaniczne i cieplne samego proszku i ulegającego agregacji lepiszcza, ale także interakcje z ewentualnymi podporami i wpływ procesu chłodzenia na mikrostrukturę.
Konieczne jest zastosowanie metod elementów skończonych (MES) w stanie nienewtonowskim, łączących analizę przepływu cieczy (dla fazy odgazowywania i odlewania lepiszcza) z analizą plastyczną i reologiczną proszku.
Niemal połowa problemów programistycznych wiąże się z koniecznością przewidzenia deformacji wynikających z ograniczonej kontroli termicznej podczas wygrzewania i wytapiania.
Oprogramowanie musi operować na wielowarstwowych siatkach elementów, w których każdej warstwie przypisane są indywidualne właściwości cieplne oraz mechaniczne zależne od stopnia związania lepiszcza i gęstości pakowania.
Powinno uwzględniać dynamiczne zmiany geometrii, wynikające ze skurczu fazowego oraz ze zmiany stanów skupienia lepiszcza. Do tego dochodzi skomplikowany proces modelowania odgazowywania, gdzie wąskie kanały między ziarnami pełnią kluczową rolę w migracji gazów, a ich szybkie odprowadzenie minimalizuje ryzyko wewnętrznych naprężeń i mikropęknięć.
Wreszcie, oprogramowanie musi integrować moduł optymalizacji parametrów procesu, uczący się na podstawie danych z czujników temperatury, nacisku i odkształceń zbieranych w czasie rzeczywistym.
Realizacja tak złożonych funkcji natrafia na liczne przeszkody:
- brak pełnych danych materiałowych dotyczących właściwości proszków w fazie częściowo związanej,
- trudności w pomiarze rzeczywistej dystrybucji cząstek i lepiszcza wewnątrz zielonej części,
- ograniczona moc obliczeniowa potrzebna do przeprowadzania symulacji MES w zadowalającej rozdzielczości
- wyzwania związane z kalibracją modelu na podstawie eksperymentów laboratoryjnych, które rzadko bywają w stanie odtworzyć warunki przemysłowe w skali produkcyjnej.
Kolejną barierą jest integracja wyników symulacji z maszyną drukującą, tak aby na podstawie prognoz deformacji na bieżąco modyfikować trajektorie głowic natryskowych i parametry warstwowania. Bez płynnej komunikacji między modułami CAD, MES i sterownikiem maszyny proces stanie się nieelastyczny, zwiększając ryzyko odrzutu części zamiast wzrostu wydajności.
Aby oprogramowanie sterujące binder jetting z metali mogło zapewnić odpowiednią skuteczność metody, musi zawierać zaawansowane narzędzia symulacyjne odkształceń termomechanicznych oraz moduły adaptacyjnego sterowania procesem.
Konieczne jest opracowanie biblioteki materiałowej dla różnych proszków metali, zawierającej pełen zestaw parametrów termicznych, mechanicznych i reologicznych, a także rozbudowany system kalibracji numerycznej na podstawie danych eksperymentalnych.
Oprogramowanie powinno uwzględniać wpływ faz odgazowywania na mikrostrukturę i przewidzieć koszty operacyjne na każdym etapie od druku zielonej części aż po gotowy detal.
Tylko w ten sposób możliwe będzie zniwelowanie kluczowych ograniczeń technologii binder jetting i osiągnięcie powtarzalności oraz jakości spiekanych detali na poziomie akceptowalnym w prawdziwym przemyśle wytwórczym.
Tak naprawdę wszystko powinno zaczynać się od podstawowej identyfikacji części, dając raport czy nadaje się ona w ogóle do druku 3D w tej technologii. Dobrym pomysłem mogłaby być również gradacja oceny, tj. ustalanie na jak duże kompromisy jakościowe można pójść żeby wyprodukować daną część?
Czy rozwiązaniem może być AI?
Z pewnością jeżeli ktoś usiadłby do tego z odpowiednio zmotywowanym zespołem i budżetem, mogłoby tu dojść do całkiem sporych innowacji.
Pytanie jednak brzmi czy cała ta gra jest warta finalnego wyniku?
Czy metal binder jetting ma realną szansę na stania się wartościową metodą produkcyjną na dużą skalę? Taką która usprawiedliwiłaby koszty stworzenia naprawdę skomplikowanego systemu AI, który wziąłby na siebie całą odpowiedzialność w produkcji części.
Na razie nie wygląda to optymistycznie. Ale kto wie…?
