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Die Frage ist durchaus berechtigt und wird uns oft gestellt

Bevor wir zu den Details kommen, gehen wir jedoch zuerst darauf ein, was genau Single-Pass Jetting ist.

Als Binder-Jetting wird ein 3D-Druckprozess bezeichnet, bei dem anhand von digitalen Daten über einen Druckkopf Binder in eine Pulverform – z. B. Metall, Sand oder Keramik – eingespritzt wird und so Schicht für Schicht das fertige Produkt entsteht. Beim Metalldruck muss das gedruckte Teil gesintert werden, damit sich Partikel zu einem soliden Objekt zusammenfügen.

Für diesen Prozess müssen zunächst einige Voraussetzungen erfüllt werden:

  • Der Drucker muss eine dünne, kompakte und homogene Schicht aus Pulverpartikeln erzeugen.
  • Ein Druckkopf muss den Binder genau auf die Stellen im Pulverbett auftragen, an denen sich die Pulverpartikel verbinden sollen.
  • Der Binder muss trocken genug sein, sodass sich die gewünschten Partikel miteinander verbinden. Vor dem Auftrag der nächsten Schicht darf der Druckbereich nicht zu nass sein. 

Fast alle Unternehmen im Binder-Jetting-Market führen den Prozess der Pulverbeschichtung getrennt vom Druck durch. Dazu zählen auch HP und Digital Metal. 

Ankündigung des Konzepts des Single-Pass Jetting

Im April 2017 kündigt das Unternehmen Desktop Metal das neue Single-Pass-Konzept an. Desktop Metal gab an, dass die Technologie enorme Geschwindigkeitsvorteile bietet und in den großen Metall-Binderjet-Drucker des Unternehmens integriert wird, dessen Markteinführung für 2018 geplant war. 

Auf der Website des Unternehmens wird das bidirektionale System folgendermaßen erklärt: „Sämtliche Schritte des Druckprozesses – Pulverbeschichtung und -verteilung, Verdichtung, ballistische Verdrängung und Binder-Jetting – werden in einem Durchgang bzw. „Pass“ über den Druckbereich erledigt.“ 

Dank dieses Ansatzes ist das Desktop Metal Production System in der Lage, bis zu 12.000 ccm/h zu drucken. Die Markteinführung ist für die zweite Jahreshälfte 2021 angesetzt. 

Die patentierte Triple ACT Technologie von ExOne dosiert, verteilt und verdichtet feine MIM-Pulver in diskreten Funktionen mit unterschiedlichen Parametern über das Druckbett.

Bei Systemen von ExOne dagegen wird zuerst mithilfe der Triple Advanced Compaction Technology (ACT) eine Pulverschicht aufgetragen. Über das fortschrittliche Doppelwalzensystem wird das Pulver aufgetragen, verteilt und verdichtet. Jede Schicht hat eine Dicke von ca. drei Partikeln bzw. 30 Mikrometern. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von ca. 70 Mikrometer, ein rotes Blutkörperchen dagegen ist ca. 10 Mikrometer groß. 

Anschließend wird über Druckkopf Binder auf die Pulverpartikel aufgetragen. Abschließend wird der Druckbereich erhitzt, bevor die nächste Pulverschicht aufgetragen wird. 

Alle Metall-Binder-Jetting-Systeme von ExOne sind mit der Triple ACT-Technologie ausgestattet und drucken nach diesem Verfahren. Die X1 160Pro erreicht dabei Maximalgeschwindigkeiten von 10.000 ccm/h. Mit diesem Ansatz wurden bereits 23 Arten von Metallen, Keramiken und Verbundpulvern für den 3D-Druck qualifiziert. Seit neuestem kann auch mit der Aluminiumlegierung 6061 gedruckt werden.

Nun zu den technischen Details

Warum ist man bei ExOne nicht der Ansicht, dass der Single-Pass-Ansatz für höchste Qualität oder Flexibilität in puncto Werkstoffen steht?

ExOne ist der führende Anbieter von kommerziellen 3D-Drucksystemen mit der größten Betriebserfahrung. Bei jedem Beschichtungs- und Bindeprozess müssen dabei mehr als 20 individuelle Parameter pro Werkstoff kontrolliert werden. Dazu gehören grundlegende Faktoren wie die Geschwindigkeit der Pulververteilungswalzen und der Binder-Tröpfchen sowie die Dauer und Temperatur des Erhitzungsvorgangs.

Das X1 25Pro ist eines der ExOne Metallbinder-Jetting-Systeme mit Steuerungen für mehr als 20 wichtige Parameter.

Alle im Druck eingesetzten Pulver (darunter viele unterschiedliche Metalle, Keramiken und Verbundwerkstoffe) zeichnen sich durch unterschiedliche Partikelformen und -größen sowie verschiedene Druckparameter aus. Selbst innerhalb einer einzigen Materialkategorie, z. B. 316L Edelstahl, kann es je nach Größe der Pulverpartikel zu Unterschieden bei der Verteilung oder der Verdichtungsgeschwindigkeit kommen. Manchmal müssen auch die Binder-Tröpfchen mit einer anderen Geschwindigkeit oder in anderer Form aufgetragen werden. 

Wenn der Binder zu schnell oder zu langsam aufgetragen wird, kann es gelegentlich vorkommen, dass das Pulver den Binder nicht aufnimmt und dieser stattdessen von den Partikeln abprallt. Das passiert vor allem dann, wenn sich die Partikel nicht richtig anordnen konnten. 

Wir achten sehr auf den zeitlichen Abstand zwischen dem relativ langsamen Pulverauftrag und dem sehr viel schnelleren Binderauftrag. So stellen wir sicher, dass der Binder genügend Zeit hat, um sich zwischen den Partikeln auszubreiten bzw. den Druckbereich zu befeuchten. 

Wenn man all diese Parameter in ein einziges System integriert, bei dem sich nur ein einziger Druckkopf in derselben Geschwindigkeit für alle Vorgänge über das Druckbett bewegt, verliert man gewissermaßen die Kontrolle über viele Prozessparameter. Darüber hinaus hat man auch keine Möglichkeit, die zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen Schritten zu kontrollieren. Unserer Erfahrung nach ist für die Bestimmung der geeigneten Parameter für all diese individuellen Elemente einiges an Ingenieursarbeit notwendig. Außerdem kommt es auf eine strenge Kontrolle sowie genaue zeitliche Abläufe zwischen den unterschiedlichen Funktionen an. 

Bei ExOne wird diese Sammlung wichtiger Parameter auch als ExOne Recipe Engine bezeichnet. Mit dieser Recipe Engine wird sichergestellt, dass stets die besten Teile produziert werden – unabhängig von Werkstoff, Form oder Größe des Objekts. Mit mehr als 20 Parametern verfügt die Recipe Engine über eine unendliche Zahl an möglichen Kombinationen, da jeder individuelle Parameter unterschiedliche Werte annehmen kann (z. B. Temperatur des Heizelements). 

Zudem definiert ExOne oft unterschiedliche Parameter für unterschiedliche Schichten, basierend auf dem Teil und den geometrischen Anforderungen. Manchmal kann es je nach Geometrie und den spezifischen Funktionen sogar hilfreich sein, verschiedene Schichten unterschiedlich schnell zu drucken.

Zusammenfassend lässt sich also festhalten, dass es zwar einen effizienten Eindruck macht, wenn man all diese Parameter von einem einzigen Druckkopf ausführen lässt, der sich immer mit derselben Geschwindigkeit über das Druckbett bewegt. Man muss jedoch die eine richtige Geschwindigkeit finden, die für alle Parameter geeignet ist, damit ein qualitativ hochwertiges und stabiles Objekt entsteht. Unser Team ist der Ansicht, dass man bei Verwendung einer einzigen Geschwindigkeit immer Kompromisse bei mindestens einem der Parameter hinnehmen muss. Denn letztendlich muss man sich bei diesem Ansatz oft nach dem kleinsten gemeinsamen Nenner richten.

Interessanterweise arbeitet das Desktop Metal Shop System, das 2020 auf den Markt kam und nach dem Production System angekündigt wurde, anscheinend auch nicht mit dem Single-Pass-System – oder zumindest nicht mit dem System, wie es das Unternehmen selbst beschrieben hat. Ein Händlervideo des Prozesses zeigt, dass das System separate Funktionen für die Pulververteilung und den Druck nutzt. Es unterscheidet sich somit von dem Single-Pass-System, das 2017 angekündigt wurde.

"Eine Art Kontrollverlust"

Bereits Jahre vor der ersten Erwähnung von Single-Pass-Systemen kamen Experten von ExOne zu dem Schluss, dass es bei Druckern mit einem einzigen System für die Pulverbeschichtung und den Binderauftrag vermutlich zu Nachteilen hinsichtlich der Mikrostruktur der gedruckten Teile kommt. Das zeigt sich meist allerdings erst nach dem Sintern. 

An dieser Stelle sollte noch einmal betont werden, dass die Mikrostruktur eines Teils mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen ist. Dennoch ist es wichtig, sich nach dem Sintern genau anzuschauen, wie sich die Partikel verdichtet und angeordnet haben. Bei poröser Struktur weisen die Teile unter Umständen keine ausreichende Stabilität und Festigkeit auf. 

Rick Lucas, ExOne CTO und VP, New Markets

Im Falle von Prototypen spielt das keine allzu große Rolle. Da die Metalldrucker von ExOne jedoch für die Fertigung industrieller Teile bestimmt sind, sollten die mit unseren Maschinen gedruckten Teile die höchste Qualität aufweisen, die im 3D-Druck möglich ist. Um das zu erreichen, ist eine sehr strenge Kontrolle der Parameter notwendig.

Dan Brunermer, Technical Fellow bei ExOne, gilt weltweit als einer der erfahrensten Experten im Bereich des Metall-Binder-Jetting. Im Jahr 2003 entwickelte er das Metall-Binder-Jetting-System R2 und spielt seitdem eine wichtige Rolle bei der Weiterentwicklung der Technologie.

„In einem Single-Pass-System muss alles mit der gleichen Geschwindigkeit ablaufen“, erklärt Brunermer. „Es ist besser, den zeitlichen Abstand zwischen der Pulverbeschichtung, der Erhitzung und dem Binderauftrag zu kontrollieren. Der Binder muss einziehen, auch wenn es sich dabei nur um einen Zeitraum von einer halben Sekunde handelt. Chemische Reaktionen brauchen ihre Zeit und auch physikalische Gesetze und die Fluiddynamik muss in diesem Prozess berücksichtigt werden.“

Rick Lucas, ExOne Chief Technology Officer, merkte außerdem an, dass der Ansatz aus genau diesen Gründen bereits diskutiert und abgelehnt wurde. „Wir haben uns vor Jahren bewusst dagegen entschieden“, so Lucas. „Der Ansatz hat negative Auswirkungen auf zeitliche Planung der einzelnen Funktionen. Er stellt eine Art Kontrollverlust dar. Man kann nur beschränkt Anpassungen vornehmen.”

IM NÄCHSTEN ARTIKEL: Warum ExOne-Drucker rastern und keine Redundanz erfordern



Vergleichen und gegenüberstellen

ExOne Binder Jetting mit Triple ACT

Enge Parametersteuerung ohne Single-Pass.


Digital Metal Printing Video 

Ohne Single-Pass-System.


HP Metal Jet Fusion Video

Ohne Single-Pass-System.




Desktop Metal Produktionssystem

Mit Single-Pass-System.


Desktop Metal Shop System

Ohne Single-Pass-System.



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