3D-Drucker für Metall Binder Jetting (BJ)

Binder Jetting (BJ) in der Additiven Fertigung

Funktionsweise eines Metall-3D-Druckers mit Binder Jetting

Ein Binder Jetting 3D-Drucker ist eine additive Fertigungsmaschine, die Metallteile Schicht für Schicht aus pulverförmigem Metall aufbaut (Pulverkleben). Im Gegensatz zu anderen 3D-Druckverfahren wie dem selektiven Laserschmelzen (SLM) oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM) verwendet das Binder-Jetting-Verfahren keinen Laser oder Elektronenstrahl zur Verschmelzung des Materials. Stattdessen wird ein flüssiges Bindemittel (Binder) gezielt auf eine dünne Schicht Metallpulver aufgetragen, um die Partikel lokal zu verbinden. Anschließend wird eine neue Pulverschicht aufgetragen und der Vorgang wiederholt sich, bis das gewünschte Bauteil vollständig aufgebaut ist.

Nach dem Drucken befindet sich das Bauteil im sogenannten „Grünzustand“ – es ist noch porös und besitzt keine ausreichende Festigkeit. Daher durchläuft es in einem weiteren Schritt ein Entbinderungs- und Sinterverfahren. Dabei wird zunächst der flüssige Binder entfernt (Debinding) und das Bauteil anschließend unter hoher Temperatur gesintert. Während dieses Prozesses verschmelzen die Metallpartikel zu einem dichten, stabilen Metallbauteil mit nahezu vollmetallischen Eigenschaften.

Das Binder-Jetting-Verfahren eignet sich besonders für die Serienfertigung komplexer Metallbauteile, da es hohe Baugeschwindigkeiten und eine vergleichsweise kostengünstige Produktion ohne aufwendige Stützstrukturen ermöglicht. Typische Metalle, die verarbeitet werden können, sind Edelstahl, Werkzeugstahl, Kupfer, Inconel und Titan. Die hohe Designfreiheit und die Möglichkeit, mehrere Bauteile gleichzeitig zu fertigen, machen Metall-3D-Drucker mit Binder Jetting zu einer attraktiven Technologie für Industrie, Forschung und Entwicklung.

Andere Arten von Metall 3D-Druckern

Auf maschinenauswahl.de finden Sie einen Überblick über alle 3D-Druck-Technologien für Metall in der Additiven Fertigung. Weitere Verfahren sind:

Komponenten eines BJ-Druckers

Das Pulverbett bildet die Basis, auf dem die Schichten aus Metallpulver aufgetragen werden. Eine Präzisionswalze oder -rakel sorgt für die gleichmäßige Verteilung des Pulvers. Der Druckkopf ist mit Düsen ausgestattet, die das flüssige Bindemittel gezielt auf das Pulverbett auftragen. Eine Bauplattform senkt sich nach jeder Schicht präzise ab, um Platz für die nächste Pulverlage zu schaffen. Zusätzlich gehören eine Reinigungsstation, ein Pulverbeschicker und eine Steuerungseinheit zur Maschine. Für die Nachbearbeitung sind separate Entbinderungs- und Sinteröfen erforderlich.

Binder Jetting in der industriellen Fertigung

Metall-3D-Drucker mit Binder Jetting kommen vor allem in Branchen zum Einsatz, die auf komplexe Metallbauteile in mittleren bis großen Stückzahlen angewiesen sind. Besonders verbreitet ist das Verfahren in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Werkzeugbau, Maschinenbau, Konsumgüterindustrie sowie bei Elektronikherstellern und in der Energietechnik. Durch die hohe Gestaltungsfreiheit lassen sich funktionsintegrierte, gewichtsoptimierte oder schwer zerspanbare Bauteile wirtschaftlich fertigen.

Beispiele für Werkstücke, die im Metall-3D-Druck mit Binder Jetting erzeugt werden:

Turbolader-Gehäuse
Wärmetauscher
Werkzeugeinsätze
Implantate
Zahnradkomponenten
Halterungen
Spritzdüsen
Elektrogehäuse
Kupferkontakte
dekorative Designobjekte

Auch Prototypen mit seriennahen Eigenschaften lassen sich schnell und kostengünstig realisieren. Die Technologie eignet sich zudem hervorragend für die Herstellung individualisierter oder funktionsoptimierter Bauteile, die mit konventionellen Verfahren nur schwer oder gar nicht herstellbar wären.

Werkstoffe bzw. Metalle für Binder Jetting

Binder Jetting ist ein äußerst flexibles Verfahren, das mit einer Vielzahl von metallischen Werkstoffen kompatibel ist. Besonders häufig kommt Edelstahl, wie 316L oder 17-4PH, zum Einsatz – aufgrund seiner guten Verfügbarkeit, mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit. Auch Werkzeugstähle wie M2 oder H13 sind gängige Materialien für Anwendungen im Formenbau und in der Industrie.

Für Hochleistungsanwendungen werden Nickellegierungen (z. B. Inconel 625 und 718) verwendet, insbesondere in der Luftfahrt oder Energietechnik. Auch Titanlegierungen wie Ti-6Al-4V können verarbeitet werden, wobei besondere Sinterbedingungen erforderlich sind.

Weitere verarbeitbare Metalle sind Kupfer (wegen seiner hohen Wärme- und Leitfähigkeit), Bronze, Kobalt-Chrom (z. B. für Dental- oder Medizintechnik) sowie Eisen- und Karbonstähle. Die Auswahl des geeigneten Metallpulvers hängt stark von der gewünschten Bauteileigenschaft und dem Einsatzzweck ab. Wichtig ist eine optimale Pulverqualität mit gleichmäßiger Partikelgrößenverteilung für präzise Druckergebnisse.

Binder Jetting Aluminium

Aluminium stellt beim Binder Jetting besondere Anforderungen: Es oxidiert leicht, was die Sinterung erschwert. Zudem hat es eine hohe Wärmeleitfähigkeit, was zu ungleichmäßiger Erwärmung führt. Spezielle Legierungen, optimierte Sinterprofile und Schutzatmosphären sind notwendig, um dichte, formstabile Bauteile mit guten mechanischen Eigenschaften zu erzielen.

Binder Jetting Bindemittel

Beim Binder Jetting für Metall werden meist organische Bindemittel auf Polymerbasis verwendet, z. B. thermoplastische oder lösungsmittelbasierte Systeme. Sie müssen gut druckbar, schnell trocknend und rückstandslos entfernbar sein. Die Auswahl hängt vom Metallpulver, dem Druckprozess und dem nachfolgenden Entbinderungs- und Sinterverfahren ab. Ein paar Beispiele:

Organisches Polymerharz auf Lösungsmittelbasis (z. B. Acrylaten‑ oder Epoxidharze) — häufig verwendet bei Metallbindern zur späteren Entfernung durch thermische Zersetzung.
Wasserbasierte Polymerdispersionen — bei denen Wasser als Trägerflüssigkeit dient und anschließend verdampft bzw. ausgetrieben wird.
Metall‑organische Lösung (Metal‑Organic Decomposition, MOD) als Bindervorstufe — eine flüssige Metallverbindung, die beim Erhitzen metallische Bestandteile zurücklässt.
Zwei‑Komponenten‑Binder mit Aushärter/Härter — beispielsweise ein Bindemittel + ein Katalysator oder Härter, um die Grünteilfestigkeit vor dem Entbindern zu erhöhen. (Allgemein im sinterbasierten AM‑Kontext erwähnt)
Anorganischer Binder auf Silikatbasis (z. B. Natriumsilikat) – vor allem bei sandbasierten Anwendungen im Binder Jetting, kann aber Prinzipien ähnlich auf Metall‑BJ übertragen werden.

Erfolgsfaktoren beim Binder Jetting

Zunächst ist die Konsistenz und Partikelgröße des Metallpulvers entscheidend – je gleichmäßiger und feiner das Pulver, desto besser die Verdichtung und die spätere Oberflächengüte. Auch die Verteilung des Pulvers auf der Bauplattform muss homogen sein, was durch eine präzise arbeitende Rakel oder Walze gewährleistet wird.

Ebenso wichtig ist die präzise Dosierung und Platzierung des Bindemittels. Die Druckdüsen müssen eine konstante Tröpfchengröße liefern und dürfen nicht verstopfen. Eine regelmäßige Kalibrierung des Druckkopfs sowie eine saubere Umgebung verhindern Qualitätseinbußen.

Nach dem Druck sind Entbinderung und Sintern zentrale Prozessschritte: Die Temperaturführung muss exakt auf das Material abgestimmt sein, um Verformungen, Rissbildungen oder unzureichende Dichte zu vermeiden. Auch das Bauteildesign spielt eine Rolle – gleichmäßige Wandstärken und stützende Geometrien fördern den verzugfreien Sinterprozess.

Schließlich ist die Prozessüberwachung und Qualitätskontrolle während und nach der Fertigung entscheidend, um reproduzierbare Ergebnisse auf industriellem Niveau zu gewährleisten. Moderne Maschinen bieten hierfür Sensorik und Softwarelösungen zur automatisierten Analyse.

Binder Jetting Vor- und Nachteile

Ein wesentlicher Pluspunkt ist die hohe Druckgeschwindigkeit, da keine energieintensive Schmelze notwendig ist. Zudem erlaubt die Technologie eine kosteneffiziente Produktion, da Standardmetallpulver verwendet werden können und keine Stützstrukturen nötig sind – was Material und Nachbearbeitung spart.

Die Designfreiheit ist ein weiterer Vorteil: Komplexe Geometrien, innenliegende Kanäle und leichte Strukturen lassen sich wirtschaftlich umsetzen. Binder Jetting eignet sich auch für die Parallelfertigung mehrerer Bauteile, was die Produktivität zusätzlich steigert. Die Prozesse sind grundsätzlich skalierbar und gut automatisierbar.

Demgegenüber stehen einige Nachteile: Da die Bauteile im „Grünzustand“ zunächst nur aus Pulver und Binder bestehen, ist eine aufwendige Nachbearbeitung mit Entbinderung und Sintern erforderlich. Dabei können Schrumpfungen und Verzüge auftreten, was exakte Maßhaltigkeit erschwert. Die erreichbare Dichte und Festigkeit kann je nach Material und Prozessführung hinter anderen Verfahren wie dem SLM zurückbleiben. Zudem ist das Binder-Jetting aktuell noch auf bestimmte Metalllegierungen beschränkt.

Binder Jetting versus Material Jetting

Binder Jetting und Material Jetting sind zwei unterschiedliche additive Fertigungsverfahren, die oft verwechselt werden – dabei unterscheiden sie sich deutlich in Aufbau, Materialien und Anwendung.

Beim Binder Jetting wird ein flüssiges Bindemittel selektiv auf ein Pulverbett (z. B. Metall oder Keramik) aufgetragen. Das Bindemittel verbindet die Pulverpartikel Schicht für Schicht zu einem festen Grünteil, das später durch Entbinderung und Sintern in ein vollwertiges Metallbauteil umgewandelt wird. Dieses Verfahren eignet sich besonders für metallische Werkstoffe und industrielle Serienproduktion.

Beim Material Jetting hingegen wird das eigentliche Baumaterial selbst – meist ein lichtaushärtendes Polymer oder Wachs – in Tröpfchenform direkt aus Düsen aufgetragen. Die Tropfen werden schichtweise ausgehärtet, meist durch UV-Licht. Material Jetting eignet sich für die Herstellung von hochpräzisen Kunststoffprototypen, Multimaterial-Bauteilen oder Feinstrukturen mit exakter Farbgebung.

Zubehör und Betriebsmittel für eine Binder Jetting 3D-Drucker

Ein Metall-3D-Drucker mit Binder Jetting arbeitet nicht mit klassischen Zerspanwerkzeugen, sondern mit spezifischen Komponenten für das Schichtbauverfahren. Dazu zählen: Tintenstrahldüsen (für das Bindemittel), Pulververteiler, Rakel oder Walze, Heizmodule, Vakuumabsaugung, Reinigungseinheiten, Kalibriereinrichtungen sowie Sensorik zur Prozessüberwachung. Für die Nachbearbeitung sind weitere Werkzeuge notwendig: Entbinderungsöfen, Sinteröfen, Sandstrahlgeräte, Schleif- und Poliermaschinen, sowie CNC-Maschinen für finale Maßbearbeitung. Auch Ultraschallreinigungsanlagen und Prüfgeräte (z. B. zur Dichteprüfung) zählen zum erweiterten Werkzeugspektrum.

Führende Hersteller für Binder Jetting 3D-Drucker

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Auswahl des passenden Metall-3D-Druckers für Binder Jetting

Möchten Sie einen Binder-Jetting-Drucker kaufen, sind mehrere wichtige Merkmale und Spezifikationen zu berücksichtigen.

In erster Linie ist das Bauvolumen entscheidend – es bestimmt die maximale Größe der produzierbaren Bauteile.
Auch die Auflösung der Druckköpfe sowie die Schichtdicke beeinflussen die Detailgenauigkeit und Oberflächenqualität.
Die Druckgeschwindigkeit ist relevant für die Produktivität, insbesondere in der Serienfertigung.
Wichtig sind zudem die Kompatibilität mit verschiedenen Metallpulvern, die Verfügbarkeit und Kosten der Betriebsmittel sowie die Qualität des verwendeten Bindemittels.
Darüber hinaus sollte auf die Automatisierungsmöglichkeiten, den Energieverbrauch, die Benutzerfreundlichkeit der Software und die Integration in bestehende Fertigungsprozesse geachtet werden.
Zuverlässigkeit, Wartungsaufwand und Supportleistungen des Herstellers spielen ebenfalls eine Rolle.
Nicht zuletzt sind Nachbearbeitungsanlagen wie Sinter- und Entbinderungsöfen Teil des Gesamtsystems und müssen technisch abgestimmt sein.

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Informationen zum Binder Jetting

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