Конструирование деталей для печати по методу струйного нанесения связующего (Binder Jetting)

Технология Binder Jetting — один из самых быстрых и экономичных методов аддитивного производства, требующий особого подхода к конструированию деталей. В отличие от лазерных технологий, где порошок сплавляется энергией луча, здесь частицы склеиваются жидким связующим, что накладывает специфические ограничения на геометрию, толщину стенок и постобработку.

Основные преимущества Binder Jetting при конструировании

Перед погружением в правила проектирования важно понять уникальные возможности технологии:

✅ Печать без поддержек — порошок естественным образом удерживает нависающие элементы, что открывает свободу в проектировании сложной геометрии.

✅ Большие размеры деталей — промышленные установки позволяют печатать объекты до 2000 × 1000 × 1000 мм, что недоступно для лазерных систем.

✅ Высокая скорость — печатающая головка наносит связующее на всю площадь слоя за секунды (в 5–10 раз быстрее SLS/SLM).

✅ Экономичность — отсутствие мощных лазеров снижает себестоимость печати, особенно для песчаных форм.

Однако эти преимущества требуют компенсации в виде грамотного конструирования.

Общие правила конструирования для Binder Jetting

1. Учитывайте пористость “зеленой заготовки”

Сразу после печати деталь представляет собой “зеленую заготовку” (green part) — хрупкую структуру с плотностью 40–60%, пропитанную связующим. Она требует аккуратного обращения до спекания (для металлов) или отверждения (для других материалов).

Рекомендации:

Избегайте тонких выступающих элементов (<2 мм) на “зеленой” стадии — они могут обломиться при извлечении из порошка.
Проектируйте усиленные зоны захвата/поддержки для манипуляции деталью до спекания.
Для металлических деталей все точные размеры достигаются после спекания, поэтому критичные поверхности должны быть доступны для механической обработки.

2. Минимальная толщина стенок

Материал	Минимальная толщина стенки	Рекомендуемая
Песок (литейные формы)	3 мм	5–8 мм
Металл (до спекания)	2 мм	3–5 мм
Металл (после спекания)	0.5 мм	1–2 мм
Гипс/полимеры	1.5 мм	2–3 мм

Важно для металла: При спекании происходит усадка 15–20%, поэтому стенки становятся тоньше. Если в CAD модели стенка 3 мм, после спекания она станет ~2.4 мм.

3. Компенсация усадки (только для металла и керамики)

Metal Binder Jetting требует обязательной компенсации усадки материала при спекании.

Типичная усадка:

Нержавеющая сталь 316L: 18–20%
Титан Ti-6Al-4V: 16–18%
Инконель 625: 17–19%
Керамика (Al₂O₃): 20–22%

Как компенсировать:

Современные слайсеры (ExOne Innovent+, Desktop Metal Studio System) автоматически масштабируют модель с учетом усадки материала.
Для точных посадочных мест (подшипники, резьба) требуется калибровка на тестовых образцах и ручная корректировка коэффициента в CAD.

Пример: Если нужен финальный размер детали 100 мм из стали 316L (усадка 18%), в CAD проектируют 121.95 мм (100 / 0.82 = 121.95).

Конструирование литейных форм и стержней из песка

Самое массовое применение Binder Jetting — изготовление песчаных литейных форм для серийного литья металлов. Это требует специфических правил проектирования.

Толщина стенок формы

Минимум: 5 мм — ниже этого форма может разрушиться при заливке расплавленного металла (температура 1200–1600°C).

Рекомендуемая толщина:

Для мелких отливок (<1 кг): 8–12 мм
Для средних отливок (1–10 кг): 12–20 мм
Для крупных отливок (>10 кг): 20–40 мм

Литниковая система

Проектируйте литники (каналы для подачи металла) с учетом гидродинамики:

Минимальный диаметр литника: 10 мм (меньше — риск преждевременного застывания металла).

Оптимальные углы:

Литник: конусность 3–5° (расширение к низу для гравитационного потока).
Выпоры (каналы для выхода газов): вертикальные, диаметр 8–15 мм.

Радиусы скруглений: Все переходы между каналами должны иметь радиус ≥5 мм для снижения турбулентности и предотвращения эрозии песка.

Дренажные каналы и газоотводы

Критично важно: При заливке металла органическое связующее (фурановая смола) частично выгорает, выделяя газы. Без каналов отвода газ создает дефекты отливки (раковины, пористость).

Правила проектирования газоотводов:

Диаметр: 5–10 мм
Расположение: в верхних точках формы (газ поднимается вверх)
Длина: минимум 30 мм (чтобы газ успел выйти)
Количество: минимум 2 газоотвода на каждые 500 см³ объема полости

Стержни (cores)

Для отливок с внутренними полостями (например, блоки двигателей) используют стержни — отдельные песчаные элементы, которые вставляются в форму перед заливкой.

Конструирование стержней:

Знаки стержней (посадочные места в форме): глубина минимум 10 мм, ширина = 1.5× толщина стержня.
Прочность: Тонкие стержни (<15 мм диаметром) могут сломаться под давлением металла — усиливайте ребрами или увеличивайте сечение.
Газопроницаемость: Стержень должен “дышать”, иначе газ попадет в металл. В Binder Jetting это достигается естественной пористостью песка, но для крупных стержней добавляйте вентиляционные каналы (Ø3–5 мм).

Термические напряжения в форме

При заливке металла песчаная форма испытывает термический шок. Чтобы избежать растрескивания:

Скругляйте внутренние углы полости отливки (радиус ≥3 мм) — острые углы концентрируют напряжения.
Избегайте резких перепадов толщины стенок формы (переход не более 1:2).
Добавляйте ребра жесткости на наружные стенки крупных форм (высота ребра = 0.5× толщина стенки).

Конструирование металлических деталей (Metal Binder Jetting)

Минимальные размеры элементов

После спекания металлические детали достигают плотности >97% и обладают механическими свойствами, близкими к литым.

Элемент	Минимальный размер (после спекания)
Толщина стенки	0.5 мм
Диаметр отверстия	1 мм
Высота выступа	2 мм
Размер текста (рельеф)	1.5 мм высота, 0.8 мм толщина линии
Зазор между деталями (для печати сборки)	0.5–1 мм

Отверстия и каналы

Вертикальные отверстия (вдоль оси Z):

Минимальный диаметр: 1 мм
Точность: ±0.2 мм
Для резьбовых отверстий M4 и крупнее можно печатать резьбу напрямую (после спекания нарезать метчиком).

Горизонтальные отверстия:

Минимальный диаметр: 2 мм (меньше — порошок не высыплется)
После печати требуют продувки сжатым воздухом или прочистки
Для точных отверстий оставляйте припуск +0.5 мм и рассверливайте после спекания

Внутренние каналы (например, для охлаждения инструментальных вставок):

Минимальный диаметр: 3 мм
Радиус поворота: ≥1.5× диаметр канала
Входные/выходные отверстия на верхней грани (для очистки от порошка после печати)

Проектирование под постобработку

В отличие от SLM/DMLS, Metal Binder Jetting не требует массивных поддержек, так как порошок удерживает деталь. Однако после спекания могут потребоваться:

Механическая обработка:

Оставляйте припуски 0.5–1 мм на критичных поверхностях (посадочные места, плоскости прилегания).
Проектируйте базовые поверхности для установки на ЧПУ-станок.

Термообработка (опционально):

Для повышения твердости (закалка) или снятия остаточных напряжений.
Учитывайте дополнительную усадку 0.5–1% при закалке.

Решетчатые структуры

Для снижения веса при сохранении жесткости используют решетчатые (lattice) структуры.

Параметры для Metal Binder Jetting:

Толщина стержня: 0.8–2 мм (тоньше — риск обрушения на стадии “зеленой заготовки”)
Размер ячейки: 3–8 мм
Плотность заполнения: 20–40% от сплошного объема
Снижение веса: до 60% при потере жесткости всего 10–15%

Важно: После спекания решетчатые структуры сложно очистить от остатков порошка внутри ячеек. Проектируйте сквозные каналы для продувки сжатым воздухом.

Конструирование для полноцветной печати (гипс/полимеры)

Binder Jetting на гипсе/PMMA позволяет создавать полноцветные модели с разрешением до 600 dpi.

Минимальные размеры для детализации

Элемент	Минимальный размер
Толщина стенки	2 мм
Высота рельефа (текст, логотип)	0.5 мм
Размер пикселя цвета	~0.1 мм (600 dpi)
Диаметр отверстия	3 мм

Текстуры и цветовые переходы

Преимущество: Можно наносить текстуры (имитация дерева, камня, кирпича) непосредственно в процессе печати без покраски.

Рекомендации:

Используйте высококонтрастные изображения (резкие границы печатаются четче).
Избегайте мелких деталей <0.3 мм — они размоются.
Для архитектурных макетов масштаб 1:50 и крупнее обеспечивает читаемость окон, дверей, текстур фасадов.

Хрупкость гипсовых моделей

Проблема: Гипс хрупкий, детали легко ломаются при падении.

Решения:

Пропитка цианоакрилатом (суперклеем) или эпоксидной смолой после печати (повышает прочность в 3–5 раз).
Избегайте тонких выступающих элементов (<3 мм толщиной) — усиливайте ребрами или утолщайте основание.
Проектируйте плоское основание для устойчивости модели.

Ориентация детали в рабочем объеме

Хотя Binder Jetting не требует поддержек, ориентация влияет на:

1. Точность размеров

По осям X и Y (горизонтальная плоскость): Точность ±0.2–0.3 мм.

По оси Z (вертикальная, слои): Точность зависит от толщины слоя (50–200 мкм), но ступенчатость видна на наклонных поверхностях.

Рекомендация: Располагайте критичные поверхности горизонтально (параллельно слоям).

2. Качество поверхности

Горизонтальные поверхности (параллельные слоям): гладкие (Ra 8–12 мкм).
Вертикальные поверхности: шероховатые (Ra 15–25 мкм) из-за границ слоев.
Наклонные поверхности (15–45°): ступенчатые (эффект лестницы).

Лайфхак для литейных форм: Ориентируйте полость отливки вверх — тогда внутренняя поверхность формы (которая контактирует с металлом) будет горизонтальной и максимально гладкой.

3. Производительность печати

Чем ниже деталь по оси Z, тем меньше слоев и быстрее печать.

Пример: Плоская деталь 200×200×10 мм ориентированная “лежа” (10 мм по Z) напечатается за 1 час. Та же деталь “стоя” (200 мм по Z) — за 10 часов.

Рекомендация: Если допуски позволяют, располагайте детали максимально плоско.

Чек-лист перед отправкой модели на печать Binder Jetting

Для всех материалов:

✅ Модель герметична (watertight, manifold) — нет дыр в полигональной сетке.
✅ Толщина стенок ≥минимума для материала (см. таблицы выше).
✅ Отсутствуют тонкие выступы <2 мм, которые могут обломиться при извлечении.

Для металла (MBJ):

✅ Модель масштабирована с учетом усадки материала (+16–20%).
✅ Отверстия Ø≥2 мм для очистки от порошка.
✅ Оставлены припуски 0.5–1 мм на критичных поверхностях под механообработку.
✅ Внутренние каналы имеют выходы на верхнюю грань.

Для песчаных литейных форм:

✅ Толщина стенок формы ≥8 мм для мелких отливок, ≥20 мм для крупных.
✅ Литниковая система: диаметр ≥10 мм, радиусы скруглений ≥5 мм.
✅ Газоотводы: Ø5–10 мм, минимум 2 на каждые 500 см³ объема.
✅ Скруглены все внутренние углы полости (радиус ≥3 мм).
✅ Стержни имеют знаки глубиной ≥10 мм.

Для полноцветной печати (гипс):

✅ Толщина стенок ≥2 мм.
✅ Выступающие элементы усилены (основание ≥3 мм).
✅ Текстуры высокого разрешения (не менее 300 dpi в исходнике).
✅ Спроектировано плоское основание для устойчивости.

Инструменты для проектирования

CAD-системы:

Autodesk Fusion 360 — генерация решетчатых структур, расчет усадки.
SolidWorks — проектирование литейных форм, симуляция заливки металла (модуль Flow Simulation).
nTopology — параметрическое проектирование решеток и каналов.

Специализированное ПО для литья:

ProCAST — симуляция литейных процессов, оптимизация литниковой системы.
MAGMA5 — анализ заполнения формы, расчет усадочных раковин.
Слайсеры для Binder Jetting:
ExOne Innovent+ — автоматическая компенсация усадки, контроль толщины стенок.
Desktop Metal Fabricate — оптимизация ориентации, расчет стоимости.

Практические примеры применения

Пример 1: Литейная форма для блока двигателя

Задача: Изготовить песчаную форму для отливки алюминиевого блока двигателя объемом 2.5 литра.

Решение:

Толщина стенок формы: 25 мм (крупная отливка, высокая температура).
Литниковая система: конусные литники Ø15→25 мм, 4 газоотвода Ø10 мм в верхней части.
Стержни для внутренних каналов охлаждения: диаметр 20 мм, знаки стержней глубиной 15 мм.
Время изготовления формы: 18 часов (против 3–4 недель традиционным методом).

Пример 2: Титановый имплант коленного сустава

Задача: Серийное производство 500 штук/месяц.

Решение (Metal Binder Jetting):

Материал: титан Ti-6Al-4V, усадка ~17%.
CAD-модель масштабирована до 120.5% (100 / 0.83 = 120.5).
Решетчатая структура (пористость 30%) в зоне врастания кости: толщина стержня 1.2 мм, ячейка 5 мм.
Припуск 0.8 мм на посадочных поверхностях под финишную обработку на ЧПУ.

Пример 3: Архитектурный макет жилого комплекса

Задача: Полноцветная модель масштаба 1:100, размер 800×600×150 мм.