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Bedeutung des dpi-Werts beim Binder Jetting 

Eine der häufigsten Fehlannahmen im Bereich des Binder Jetting hat mit einer relativ einfachen Maßeinheit zu tun: dpi bzw. „dots per inch“ (Punkte pro Zoll).

Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei „dpi“ um einen tatsächlichen Messwert, der genau angibt, wie viele Tröpfchen ein Druckkopf pro Zoll erzeugen kann.

Die fälschliche Annahme, dass ein höherer dpi-Wert gleichbedeutend mit höherer Präzision und Oberflächenauflösung des Endprodukts sind, ist in der Welt des 3D-Drucks weit verbreitet – ebenso wie sich beim polymerbasierten Druck die Fehlvorstellung entwickelt hat, dass dünnere Schichten automatisch eine höhere Qualität liefern. In beiden Fällen kommen zahlreiche unterschiedliche Faktoren zum Tragen.

Zum Thema dpi ist Dan Brunermer genau der richtige Ansprechpartner. Er arbeitet als Technical Fellow bei ExOne und gilt als weltweit führender Experte auf dem Gebiet des Binder Jetting. Er ist seit 2001 in diesem Bereich tätig und hat mit dem R2-Modell eines der frühen Metall-Binder-Jetting-Systeme entwickelt. Das System wird noch heute in der Fertigung eingesetzt.

„Der erste wichtige Aspekt ist das Pulver“, erklärt Brunermer. „Wenn das Pulver nicht auf den gewünschten dpi-Wert abgestimmt ist, kann man es eigentlich gleich vergessen.“


Grund Nr. 1: Das Pulver  

Im Gegensatz zum Papierdruck druckt der Druckkopf bei einem Binder-Jetting-System auf Pulverwerkstoffe wie Metalle, Sand oder Keramiken. Wie Brunermer erklärt, setzen sich diese Pulver keineswegs aus perfekten kleinen Körner mit identischer Größe zusammen.

Unter dem Mikroskop sind in einem Pulver viele Partikel mit verschiedenen Charakteristiken in der Formgebung zu finden, von runden und kugelförmigen bis hin zu nicht-kugelförmigen Formen wie abgewinkelte und facettierte Partikel. Darüber hinaus kommen die Partikel nicht alle in exakt derselben Größe. Das Pulver weist eine bestimmte Partikelgrößenverteilung auf (in der Regel D50), bei der der Durchmesser einer Hälfte der Pulverpartikel über dem angegebenen Wert und die andere Hälfte darunter liegt. Bei einer durchschnittlichen Partikelgröße D50 von 22 Mikron läge die eine Hälfte der Partikel somit unter und die andere Hälfte über diesem Wert.  

Wenn man einen Beutel Pulver in eine Maschine einfüllt, ordnen sich die Pulverpartikel von selbst an. Das verhält sich ganz ähnlich wie bei unterschiedlich großen Murmeln in einem Glas, wo sich die kleinen Murmeln in einer bunten Mischung in die Zwischenräume der großen Murmeln zwängen.

Die Aufgabe des Druckkopfs beim Binder Jetting erscheint auf den ersten Blick sehr einfach: Es muss ausreichend Bindemittel sowie genügend Energie auf diese Partikel aufgebracht werden, um sie vollständig in X-, Y- und Z-Richtung zu benetzen bzw. zu sättigen. So werden benachbarte Partikel an der gewünschten Stelle präzise gebunden.

Auf mikroskopischer Ebene bedeutet dies, dass das Bindemittel die unterschiedlich großen Partikel einzeln mit Flüssigkeit umgeben muss, damit diese an den benachbarten Partikeln haften bleiben. Je nachdem, welches Pulver beim Druck eingesetzt wird, muss der Druckkopf möglicherweise auch Bindemittel mit unterschiedlicher Viskosität verarbeiten können. Entsprechend der Charakteristika der Pulver ist der Einsatz verschiedener Bindemittel gefordert.

An dieser Stelle kommt ein wenig Mathematik ins Spiel: 1200 dpi ist einer der höchsten dpi-Werte, die bei industriellen Druckköpfen verwendet werden. Jedes einzelne Tröpfchen, das dieser Druckkopf erzeugt, entspricht 21,17 Mikron, d. h. etwa der Hälfte des Durchmessers eines menschlichen Haares.

Nehmen wir an, dass Bindemittel mit einem 1200-dpi-Druckkopf in ein Bett aus Metallpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 30 Mikron (Standardwert für AM-Metallpulver) eingespritzt wird. Es stellt sich die Frage, ob das Bindemittel die Toleranz von 1200 dpi einhält, wenn es auf die Pulverpartikel trifft.

Die Antwort lautet: Nein. Das liegt daran, dass die Hälfte der Partikel selbst größer sind als das Tröpfchen, das auf sie aufgebracht wird. „In Fällen wie diesen“, erklärt Brunermer, „verschwenden Sie tatsächlich dpi. Die Auflösung wird dadurch nicht höher.“

Grund Nr. 2: Schichtdicke

Wir bleiben bei unserem Beispiel, legen aber die Annahme zu Grunde, dass die Größe der Pulverpartikel für unseren 1200-dpi-Drucker keine Rolle spielt. Wir verwenden ein Pulver mit einer Partikelgröße D50 von 9 Mikron, sodass die größte Partikelgröße bei etwa 14 Mikron liegt – d. h. weit unter der Binder-Tröpfchengröße von 21,7 Mikron.

Können wir die 1200 dpi im Druckbett einhalten, wenn wir mit einer herkömmlichen Schichtdicke von 50 Mikron drucken?

In X- und Y-Richtung ist die Antwort ein vorsichtiges Ja (dazu später mehr). Aber in Z-Richtung wird der dpi-Wert nicht beibehalten, da eine 50-Mikron-Schicht 508 dpi entspricht. Um die 1200 dpi in der vertikalen Ausrichtung zu erreichen, wäre eine Schichtdicke von 21,7 Mikron oder weniger erforderlich, d. h. die Anzahl der zu druckenden Schichten verdoppelt sich. 

Letztendlich werden die Druckaufträge dadurch um mehr als 50 % langsamer, da mindestens zwei Durchgänge erforderlich sind, um dieselbe Schichthöhe einer einzelnen 50-Mikron-Schicht zu erreichen.

„Wenn Sie mit einer vernünftigen Geschwindigkeit und Schichtdicke drucken möchten“, erklärt Brunermer, „werden Sie sicherlich keinen 1200-dpi-Voxel erhalten.“


Grund Nr. 3: Pulververdichtung 

Nehmen wir nun an, wir haben die richtige Pulvergröße und Schichtdicke, um 1200 dpi zu erreichen.

Jetzt müssen Sie sicherstellen, dass alle Pulverschichten über das gesamte Bett hinweg einen hohen und gleichmäßigen Verdichtungsgrad aufweisen. Ein guter Vergleich für Pulver mit einer Partikelgröße D50 von ca. 9 Mikron ist Backmehl. Wenn Sie das Backmehl ausschütten und auf einer Fläche verteilen, ergeben sich zwei Szenarien: entweder es verklumpt oder es bilden sich Staubwolken.  

Um ultrafeines Pulver so zu dosieren, zu verteilen und zu verdichten, dass die dpi-Werte eingehalten werden, ist ein fortschrittliches Pulvermanagementsystem mit höchster Präzision und Kontrolle erforderlich. Ohne ein solches System ist es nicht möglich, den dpi-Wert unabhängig von der Pulvergröße in X-, Y- und Z-Richtung aufrechtzuerhalten.

Wenn das Pulverbett nicht über alle Schichten hinweg gleichmäßig verteilt und gut verdichtet ist, können Sie Ihren 1200-dpi-Binder genauso gut auf ein Stück Papier mit Löchern drucken – denn die Packungsdichte dieser kleinen Partikel reicht nicht aus, um das Bindemittel aufzunehmen.

„Wenn das Pulver nicht gleichmäßig verteilt und verdichtet ist, läuft das Bindemittel einfach in die Lücken und die Auflösung geht verloren“, so Brunermer.

Darüber hinaus wird die gedruckte Form in diesem Fall nicht mikrostrukturell dicht und solide sein und lässt sich nicht einwandfrei zu einem geschmolzenen Metallteil sintern. „Die Verdichtung ist ein wichtiges Anzeichen für den erfolgreichen Ablauf im Ofen“, so Brunermer. „Eine hohe Gründichte der mit Bindemitteln benetzten Partikel lässt sich in eine geringere Schrumpfung und Verzerrung sowie in engere Toleranzen übersetzen.“


Grund Nr. 4: Positionssteuerung des Druckkopfs

Eine zu hohe Präzision kann mitunter eine Herausforderung darstellen. Ein passender Vergleich an dieser Stelle ist das Scheibenschießen: Mit einer Schrotflinte treffen Sie das Ziel einfacher als mit einem Gewehr.

Wenn Sie einen hochpräzisen Druckkopf mit einer hohen Auflösung von 1200 dpi verwenden, muss jeder einzelne Tropfen die exakte X- und Y-Position in Ihrem digitalen Bitmap-Ziel treffen. An dieser Stelle sind Software und mechanische Steuerung sowie deren Zusammenspiel von entscheidender Bedeutung.

Wenn Sie einen Druckkopf mit hohem dpi-Wert verwenden, aber Ihr System nicht dazu in der Lage ist, die ultrafeinen 21,7-Mikron-Tröpfchen genau an der richtigen X- und Y-Position im Druckbett aufzubringen, verfehlen Sie buchstäblich das Ziel. Kleinere Tropfen stellen an diesem Punkt für das Steuerungssystem sogar eine größere Herausforderung dar, da sie eine geringere Fehlertoleranz voraussetzen.

„An 1200 dpi ist gar nicht zu denken, wenn die Aktoren nicht eine Genauigkeit von bis zu 20 Mikron aufweisen“, erklärt Brunermer. Um diese Auflösung zu erreichen, muss die Ausführungsmaschine in der Lage sein, alle 1200 Tropfen auf einer Fläche von einem Zoll korrekt zu platzieren.“


Grund Nr. 5: Qualität der Tropfen

Nehmen wir nun an, wir haben das richtige Pulver, die richtige Schichthöhe und geeignete Systeme zur Steuerung des Pulvers und für die genaue Ausrichtung des Druckkopfs. Somit wären scheinbar alle Voraussetzungen erfüllt, um den 1200-dpi-Tropfen abzugeben und im Druckbett aufzunehmen.

Wussten Sie, dass nicht alle 1200-dpi-Druckköpfe dazu in der Lage sind, 21,7-Mikron-Tröpfchen mit einer gleichbleibenden Qualität abzugeben? Die Tröpfchen können beispielsweise verschiedene Formen aufweisen und mit unterschiedlicher Energieintensität oder Geschwindigkeit aufgetragen werden.

„In unseren Experimenten hat sich herausgestellt, dass weniger perfekte Tropfen am Ende zu besseren Teilen führen“, erläutert Brunermer. „Letztendlich hat es auch einen Grund, warum das Verfahren als ‚Binder Jetting‘ und nicht als ‚Binder Dropping‘ bezeichnet wird. 

Aus den Düsen wird ein dünner kompakter Strahl mit ausreichender Masse und Energie gespritzt, der die Partikel vollständig durchdringt. Sind die Tröpfchen zu langsam oder haben zu wenig Energie, prallen sie einfach von der Oberfläche des Pulvers ab. Aus diesem Grund ist unser Ziel, das Bindemittel in Form eines Strahls aufzubringen – und nicht in Form von Tröpfchen.“


Fazit

Diese fünf Gründe sind nur einige Faktoren, warum der dpi-Wert keinen Anhaltspunkt für die Qualität beim Binder Jetting bietet. In der letzten Phase des Metallsinterns kommen zudem einige zusätzliche Aspekte zum Tragen, auf die wir an dieser Stelle noch gar nicht eingegangen sind.

Wie lässt sich also die Qualität eines Binder-Jetting-Systems am besten bestimmen?

„Der wichtigste Punkt ist ein Komplettsystem, das unter Berücksichtigung all dieser Parameter entwickelt, gebaut und optimiert wurde“, so Brunermer. „Es kommt somit nicht nur auf einen Einzelwert an, sondern vielmehr auf das gesamte Zusammenspiel zwischen dem System und Prozess. Denn nur so erhalten Sie Teile mit hoher Auflösung und Wiederholbarkeit.“

Um die Genauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit unterschiedlicher Binder-Jetting-Systeme optimal vergleichen zu können, lassen Sie Ihre Teile am besten mit den verschiedenen Systemen drucken und gleichen die Benchmarks miteinander ab.

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