Binder Jetting (BJ) är en teknik som använder ett bindemedel som aktiv del i den additiva processen.[39] I många aspekter delar tekniken förmågor med både PBF och MJ processerna.
Grunden av varje lager utgörs av ett tunt lager material i puderform. Detta lager besprutas med hög precision av bindemedel som härdar i rumstemperatur. Detta resulterar i att kornen binder samman i tvärsnittlager.[40] Efter att ett lager skapats sänks byggplattformen ner och en vält återför grundmaterialet. Efter att komponenten skapats måste den tas ut och rengöras från restpuder och likt PBF kan pulvret återanvändas.[41]
Detta system resulterar i en formskapande process som ej tillämpar värme vilket resulterar i att risken att interna spänningar uppstår är liten. Dock är processen inte fri från värme. Produkter skapta via BJ måste, för alla material förutom ett som benämns senare, härdas för att förbättra de mekaniska förmågorna och för att återfå eventuella färger. Denna kombination där bindemedlet utgör den rörliga delen möjliggör att väldigt stora komponenter kan tillverkas både snabbt men även till relativt små kostnader. Följande bild beskriver ett Color Jet Printing (CJP) system.
Detta system karaktäriseras av: 1) Grundmaterial i pulverform, 2) Byggplatt som materialet återförs på via 3) en vals. Detta system kan med tillämpning av olika bindemedel skapa många olika färger i samma struktur.
2.7.1 Material och Struktur
Via tekniken som tillämpas måste alltid pudermaterialet kombineras med lämpligt bindemedel.
Denna två materials bas innebär att bindemedlet kan anpassas efter grundmaterialets egenskaper vilket resulterar i en stor variation i både fysiska egenskaper och utseende. Detta resulterar i att BJ, unikt för de additiva teknikerna, kan bearbeta alla materialgrupper förutsatt att materialet är i finpulverform och korrekt bindemedel tillämpas.
Noterbart på grund av detta är förmågan att bearbeta material som normalt är svåra att bearbeta inom additiv tillverkning. Exempel på dessa är metaller med hög smälttemperatur och
keramer.[42] För primärt värmebaserade tekniker, exempelvis ME eller PBF, är det svårt att uppnå höga smälttemperaturer samtidigt som faktorer som interna spänningar och
värmedeformation måste balanseras. Det medför också höga kostnader om processen skulle gå fel. Dessa faktorer påverkar inte BJ och ökar möjligheterna för tillämpning av mer unika material.
Som benämnt finns det ett material som inte kräver någon eftervärmebehandling och unikt tillämpas inom BJ, sand. Detta material är, tills vidare, unikt för BJ då det är för svårt att smälta för att användas i de värmebaserade teknikerna. Detta tillämpas inom industrier för att skapa högprecisions gjutformar [42]
Som alla additiva tekniker har BJ dock begränsningar i material. Likt PBF utgörs
grundmaterialet av ett finmalt puder. Detta resulterar i att kompositstrukturer inte kan skapas via BJ. Samtidigt är kapaciteten för kompositmaterial relativt låg. Det är möjligt att mala
kompositmaterial till korn alternativt mixa två olika puder till en jämn fördelning. Detta kan dock resultera i problem då bindemedlet kan härda med olika styrka beroende på korn.
2.7.2 Formbarhet
På grund av att värme ej tillämpas under skapelseprocessen samtidigt som formen grundas utifrån en stor volym pudermaterial finns det inget behov av stödstrukturer.[43] Detta är en stark kontrast till flera andra system av additiva tekniker. Detta resulterar i att BJ kan använda mycket mer av den befintliga arbetsytan utan att riskera att grunddetaljen påverkas. Samtidigt innebär det även att endast material som krävs förbrukas vilket leder till förhållandevis låga kostnader per volym.
2.7.3 Lagertjocklek och Precision
Då detta system ej tillämpar hetta är kapaciteten för precision hög. Däremot finns det flera faktorer som kan ha en inverkan på noggrannheten. Dessa är den relativa kornstorleken i grundmaterialet men även de likvida förmågorna hos bindemedlet, exempelvis risken att bindemedlet sprider ut sig mer än den önskade ytan. Detta resulterar i den minsta möjliga lagertjockleken 0,09 𝑚𝑚 och en minsta detaljstorlek på 0,1 𝑚𝑚 med typiska toleranser
±0,13 𝑚𝑚.[44]
2.7.4 Felrisk och vidare bearbetning
Som benämnt är en lång efter behandlingsprocess nödvändig för former skapta via BJ. Detta beror på olika anledningar. En av de mer kritiska uppkommer på grund av hur korn binds till bindemedlet. Detta resulterar i att detaljer skapta via BJ har en hög nivå av porositet och en noterbar ojämn yta. Karaktäristiskt dåliga egenskaper för mekaniska komponenter. Dessa faktorer innebär att olika efterbehandlingsprocesser måste göras beroende på grundmaterial.
För metallbaserad BJ är denna efterbehandlingsprocess extra kritisk för att uppnå önskad komponentstyrka. För dessa behandlas komponenten med hög temperatur för att både smälta bort bindningsmedlet men även för att binda metallkornen. Detta resulterar i detaljer med upp till 60 % porositet.[43] Följande kan två bindningstekniker tillämpas. Infiltration, där brons tillämpas och infiltrerar tomrummen i strukturen som resulterar i starka komponenter med låg porositet.
Alternativt tillämpas sintring där tiden komponenten utsätts för värme utökas tills antalet korn i detaljer minimerats.
2.7.5 Förslag på produkt eller yrke
Då BJ har relativt dåliga mekaniska egenskaper jämfört med andra additiva system är dess framtida potential lågt för framställning av exempelvis komponenter. Samtidigt medför den höga nivån av porositet att risken för krypbrott vid svag belastning under längre tid ökar. Utifrån dessa faktorer är det lämpligast att basera framtida produkter på de primära styrkorna inom BJ,
nämligen förmågan att bearbeta alla material med anpassat bindemedel efter behov samt möjligheten att skapa stora former till relativt små kostnader och kort tid.
Med dessa faktorer i fokus är ett nytt yrke som möjliggörs av BJ, reparatör för större skador eller hål på svårreparerade ytor. Exempel på detta är golv av keramiska material eller liknande
svårbearbetade material som kompositer. Normalt kan sådana reparationer kosta betydliga summor då keramstrukturer kan uppstå av stora solida bitar som, om de går sönder, måste bytas ut helt om reparationen ska se bra ut. BJ via dess, i praktik, obegränsade materialval kan utifrån skadan skapa en exakt tvilling av utrymmet. Under skapelseprocessen är det likt MJ att tillämpa olika bindemedel inom olika munstycken. Detta bidrar till att kärnan av modellen är av samma uppbyggnad som materialet som ska repareras. De yttre detaljerna av modellen kan dock vara anpassade med ett annat bindemedel som lättare binder med grundmaterialet runt om. Detta system medför att reparationer görs betydligt snabbare och billigare där inget onödigt material används.
Även om additiv tillverknings grund är inom ingenjörsindustrier är det viktigt att betrakta mer än så. Via detta kan även BJ, med små drag från MJ, tillämpas som grund för bekämpning av globala miljöproblem, där plantering av träd och växter bidrar starkt via ökad fotosyntes. Många växter, som träd, är svåra att transportera, plantantera och säkerställa att de kommer växa
korrekt. Men via BJ kan detta förenklas betydligt. Denna potentiella produkt bygger på flera specialiserade munstycken och bearbetning via ett grundmaterial av jord optimerat för
växttillväxt. I denna struktur måste det primära munstycken tillämpa vattenlösligt bindemedel som ej skadar växter eller miljö. De resterande sekundära munstyckena är sedan indelade i två kategorier, frön och gödselmedel. De som hanterar frön deponerar de i olika höjder och avstånd optimalt för typ av fröet för att säkerställa att tillräckligt utrymme finns. De som hanterar gödselmedel besprutar lagren med gödande medel som kväve, fosfor och kalium där både mängden och i vilket lager optimeras utifrån växten.
Denna resulterande ”växtlåda” ökar sedan den teoretiska transportlivslängden hos växten
dramatiskt. Försvaras den i en torr och kall miljö är sannolikheten att fröet ruttnar låg samt att då skapelseprocessen är extremt kontrollerad är risken för eventuella bakteriekulturer låg.
Slutligen är den onekliga styrkan med detta system att transport och planteringen blir dramatiskt lättare. Transport via att exakta rektangulära former är bland de lättaste att transportera.
Planteringen på liknande sätt underlättas även då lådan redan optimerats för dess höjd. Där allt som behövs göras är att gräva ut ett hål utifrån lådans mått, placera in paketet och bidra med vatten för att lösa bindemedlet. Denna produkt skulle dramatiskt öka potentialen att plantera kritiska växter i svåra miljöer.
Figur 13, Möjlig produkt, växtlåda
3 PRODUKTFRAMTAGNING
En tydlig trend som uppkommer utifrån utredningen är att vid design av produkter skapta via additiv tillverkning är det viktigt att betrakta styrkorna respektive svagheterna för varje system för att göra rätt val baserat på produktens krav.