Струйное нанесение связующего

Струйное нанесение связующего (англ. binder jetting) — это технология аддитивного производства, в которой трёхмерные объекты формируются путём избирательного нанесения жидкого связующего вещества на слой порошкового материала. Процесс относится к классу технологий порошкового спекания и склеивания, но отличается от селективного лазерного спекания (SLS) тем, что для соединения частиц используется не тепловая энергия лазера, а химическое связующее. После завершения печати заготовка, как правило, подвергается дополнительной термической обработке (спеканию в печи) для удаления связующего и окончательного упрочнения детали.

История

Технология струйного нанесения связующего была разработана в Массачусетском технологическом институте (MIT) в начале 1990-х годов. В 1993 году группа исследователей под руководством профессора Эмануэля Сакса (Emanuel Sachs) получила патент на метод «трёхмерной печати» (3D Printing, 3DP), который впоследствии лёг в основу binder jetting. Первоначально технология предназначалась для быстрого прототипирования (Rapid Prototyping) и создания моделей из гипса, керамики и металлических порошков.

В 1995 году компания Z Corporation (США) приобрела лицензию на технологию MIT и начала выпуск коммерческих 3D-принтеров, работающих по принципу струйного нанесения связующего. Эти устройства использовали гипсовые порошки и цветные связующие, что позволяло создавать полноцветные прототипы. В 2005 году компания ExOne (США) получила эксклюзивную лицензию на применение технологии для металлических и керамических порошков, а в 2012 году — на промышленное производство металлических деталей.

В 2012 году компания Voxeljet (Германия) представила крупноформатные системы binder jetting для литейного производства, а в 2016 году компания HP (Hewlett-Packard) — организацию, признанную иноагентом в РФ? (на момент написания статьи статус HP в РФ не определён как иноагент, но компания приостановила деятельность в России в 2022 году) — выпустила систему Multi Jet Fusion (MJF), которая, хотя и основана на схожих принципах, использует не связующее, а поглощающие агенты и инфракрасное излучение. К 2020-м годам binder jetting стал одной из наиболее быстрорастущих технологий аддитивного производства, особенно в сегменте металлических деталей для авиакосмической, автомобильной и медицинской отраслей.

Принцип работы

Процесс струйного нанесения связующего включает несколько последовательных этапов:

1. Подготовка порошка: Рабочая камера заполняется порошковым материалом (металл, керамика, песок, гипс, полимер). Порошок разравнивается валиком или лезвием, образуя равномерный слой толщиной от 20 до 200 мкм (в зависимости от материала и требуемого разрешения).

1. Нанесение связующего: Печатающая головка (аналогичная струйным принтерам) перемещается над слоем порошка и избирательно наносит капли жидкого связующего в соответствии с поперечным сечением модели. Связующее пропитывает порошок, склеивая частицы между собой. В цветных системах связующее может содержать красители.

1. Формирование слоя: После нанесения связующего платформа опускается на толщину одного слоя, и процесс повторяется: новый слой порошка наносится, разравнивается и обрабатывается связующим. Цикл повторяется до завершения построения всех слоёв.

1. Извлечение и очистка: Готовая заготовка (так называемый «зелёный» (green) объект) извлекается из камеры. Непропитанный порошок удаляется с помощью сжатого воздуха или вакуума. В большинстве систем этот порошок может быть повторно использован после просеивания.

1. Постобработка: «Зелёная» деталь, как правило, обладает низкой прочностью и пористостью. Для придания конечных свойств её подвергают термической обработке:

• Спекание (sintering): деталь помещается в печь, где при высокой температуре (для металлов — 1000–1400 °C) связующее выгорает, а частицы порошка сплавляются друг с другом. Происходит усадка (обычно 15–25 %), в результате которой деталь уплотняется и приобретает механическую прочность.
• Инфильтрация (infiltration): в некоторых случаях в поры детали вводят жидкий металл (например, бронзу) с более низкой температурой плавления, который заполняет пустоты и связывает частицы без полного спекания.

Материалы

Технология binder jetting совместима с широким спектром порошковых материалов:

• Металлы: нержавеющая сталь (316L, 17-4PH), инструментальная сталь (M2, H13), титан (Ti-6Al-4V), алюминиевые сплавы (AlSi10Mg), кобальт-хромовые сплавы, никелевые суперсплавы (Inconel 625, 718), медь и медные сплавы, вольфрам и карбид вольфрама.
• Керамика: оксид алюминия (Al₂O₃), диоксид циркония (ZrO₂), карбид кремния (SiC), нитрид кремния (Si₃N₄).
• Песок и гипс: кварцевый песок, синтетический песок, гипс (для литейных форм и архитектурных моделей).
• Полимеры: полиамид (PA12), полипропилен (PP), полиэтилен (PE) — используются реже, чем в SLS, из-за необходимости последующего спекания.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность: процесс не требует поддержки (порошок сам служит опорой), что позволяет печатать несколько деталей в одной камере без дополнительной постобработки.
• Отсутствие термических напряжений: в отличие от лазерных технологий, binder jetting не вызывает локального нагрева, что минимизирует деформации и коробление деталей.
• Широкий выбор материалов: возможность использования металлов, керамики, песка и композитов.
• Полноцветная печать: при использовании цветных связующих можно создавать детали с градиентной окраской (например, для медицинских моделей или прототипов).
• Масштабируемость: системы binder jetting могут иметь большие рабочие камеры (до 1–2 метров в длину), что позволяет изготавливать крупногабаритные детали (например, литейные формы).

Недостатки

• Постобработка: обязательное спекание или инфильтрация увеличивают время и стоимость производства. Усадка при спекании требует точного учёта при проектировании.
• Пористость: окончательные детали могут иметь остаточную пористость (до 2–5 %), что снижает механические свойства по сравнению с литыми или коваными аналогами.
• Ограниченная точность: из-за усадки и необходимости последующей обработки точность размеров ниже, чем у технологий на основе лазерного плавления (SLM, DMLS).
• Сложность удаления порошка: из внутренних полостей и каналов малого диаметра непропитанный порошок может быть трудно удалить.

Применение

Промышленное производство

• Литейное производство: binder jetting используется для изготовления песчаных литейных форм и стержней. Это позволяет создавать сложные геометрии без необходимости дорогостоящей оснастки. Технология применяется в автомобильной промышленности (например, компания Ford использует её для прототипирования и мелкосерийного литья).
• Металлические детали: производство инструментов, фитингов, корпусов насосов, турбинных лопаток и других компонентов для авиакосмической и энергетической отраслей. Компания GE Aviation (США) применяет binder jetting для изготовления топливных форсунок и других деталей двигателей.
• Медицина: создание индивидуальных имплантатов (например, из титана или кобальт-хрома) и хирургических направляющих. Керамические имплантаты (из оксида алюминия или диоксида циркония) используются в стоматологии и ортопедии.

Прототипирование и дизайн

• Архитектурные модели: полноцветные прототипы зданий и ландшафтов из гипса.
• Ювелирное дело: создание восковых моделей для литья по выплавляемым моделям (lost-wax casting) — в этом случае связующее наносится на восковой порошок, а затем модель выжигается.
• Образование и исследования: быстрая визуализация концепций и учебных пособий.

Специализированные области

• Электроника: печать керамических подложек и корпусов для микросхем.
• Оборона: изготовление деталей для военной техники и боеприпасов (в странах-производителях, не входящих в санкционные списки).

Производители оборудования

На мировом рынке струйного нанесения связующего действуют несколько крупных компаний:

• ExOne (США, с 2021 года входит в группу Desktop Metal) — производит системы для металлических и керамических порошков (серии Innovent, X1, S-Max).
• Voxeljet (Германия) — специализируется на крупноформатных системах для песчаных и керамических материалов (серии VX).
• 3D Systems (США) — предлагает системы для гипса и керамики (серия ProJet).
• HP (США) — система Multi Jet Fusion (MJF) использует схожий принцип, но с агентами вместо связующего.
• Desktop Metal (США) — система Production System для высокопроизводительного серийного производства металлических деталей.
• Digital Metal (Швеция, дочерняя компания Höganäs) — системы для высокоточных металлических деталей (DM P2500).
• Российские производители: на 2024 год в России отсутствуют серийные промышленные системы binder jetting, однако ведутся разработки в научно-исследовательских институтах (например, в НИЦ «Курчатовский институт» и МГТУ им. Н.Э. Баумана). В 2023 году компания «Аддитивные технологии» (Россия) анонсировала создание экспериментальной установки для печати металлическими порошками.

Сравнение с другими технологиями аддитивного производства

Перспективы развития

Технология binder jetting рассматривается как один из ключевых методов для перехода к серийному аддитивному производству (mass customization). Основные направления развития включают:

• Увеличение скорости печати: использование многосопловых печатающих головок (до 1000 сопел) и параллельной печати нескольких слоёв.
• Совершенствование материалов: разработка новых порошков с улучшенной текучестью и спекаемостью, а также связующих, которые не требуют длительного выжигания.
• Интеграция с роботизацией: автоматизация постобработки (очистка, спекание, контроль качества).
• Снижение стоимости: удешевление как оборудования, так и расходных материалов, что сделает технологию доступной для малого и среднего бизнеса.

В 2023 году компания Desktop Metal объявила о запуске системы Production System P-50, способной печатать до 100 000 деталей в год из нержавеющей стали. В России, по данным Минпромторга, внедрение binder jetting сдерживается отсутствием отечественного оборудования и высокой стоимостью импортных порошков, однако в 2024 году начаты проекты по созданию промышленных установок в рамках программы «Развитие аддитивных технологий».

Источники

• Sachs, E. M., et al. (1993). «Three-dimensional printing: rapid tooling and prototypes directly from a CAD model». Journal of Engineering for Industry.
• Gibson, I., Rosen, D., Stucker, B. (2015). Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. Springer.
• ExOne. (2020). «Binder Jetting Technology: Process and Applications». ExOne Technical Report.
• Voxeljet. (2022). «Sand and Ceramic Binder Jetting for Industrial Applications». Voxeljet White Paper.
• Desktop Metal. (2023). «Production System P-50: Technical Specifications». Desktop Metal Press Release.
• Министерство промышленности и торговли РФ. (2023). «Дорожная карта развития аддитивных технологий в Российской Федерации до 2030 года».