Wenn heute über Metall-3D-Druck gesprochen wird, denken die meisten sofort an Verfahren wie Laser Powder Bed Fusion (LPBF) oder Selective Laser Melting (SLM). Dabei wird Metallpulver durch einen Laser lokal aufgeschmolzen und Schicht für Schicht zu einem Bauteil aufgebaut.
Wesentlich weniger bekannt ist hingegen das Verfahren Binder Jetting – obwohl es zu den produktivsten additiven Fertigungstechnologien überhaupt zählt. Doch was genau steckt dahinter, wie funktioniert der Prozess und warum gewinnt Binder Jetting zunehmend an Bedeutung?
Binder Jetting einfach erklärt
Binder Jetting ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein industrieller Druckkopf selektiv ein flüssiges Bindemittel (Binder) auf ein Pulverbett aufträgt. Das Pulver kann dabei aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, beispielsweise:
- Metall
- Keramik
- Sand
- Verbundwerkstoffen
Durch das schichtweise Auftragen des Binders entsteht ein dreidimensionales Bauteil – ganz ohne Laser und ohne das Aufschmelzen des Materials während des Druckprozesses.
Der Vergleich mit einem Tintenstrahldrucker
Das Prinzip lässt sich leicht anhand eines Tintenstrahldruckers erklären:
Beim Drucken eines Dokuments wird Farbe gezielt auf ein Blatt Papier aufgetragen. Beim Binder Jetting geschieht im Grunde dasselbe. Der Unterschied: Statt Papier wird eine dünne Schicht Pulver verwendet und statt Tinte kommt ein Binder zum Einsatz, der die Pulverpartikel miteinander verklebt.
Während ein Drucker einzelne Seiten erzeugt, entstehen beim Binder Jetting tausende Schichten übereinander. Ein Bauteil mit einer Höhe von 100 mm und einer Schichtstärke von 45 µm besteht beispielsweise aus rund 2.000 einzelnen Layern.
So funktioniert der Druckprozess
Der eigentliche Druckprozess besteht aus zwei zentralen Schritten:
- Auftragen der Pulverschicht
Ein Roller oder Recoater verteilt eine exakt definierte Pulverschicht auf der Bauplattform.
- Selektiver Binderauftrag
Anschließend trägt der Druckkopf das Bindemittel gezielt an den Stellen auf, an denen später das Bauteil entstehen soll.
Danach wird die nächste Pulverschicht aufgebracht und der Vorgang wiederholt sich. Schicht für Schicht wächst das Bauteil innerhalb des Pulverbetts.
Warum ist Binder Jetting so interessant?
Hohe Produktivität
Der größte Vorteil von Binder Jetting ist die enorme Produktivität.
Da kein Laser eingesetzt wird und das Material während des Druckens nicht aufgeschmolzen werden muss, können deutlich höhere Aufbauraten erreicht werden als bei vielen anderen additiven Verfahren.
Eine einzelne Schicht lässt sich häufig innerhalb von etwa 20 Sekunden drucken. Moderne Anlagen erreichen Bauvolumina von mehreren Litern pro Schichtjob und können beispielsweise bis zu acht Liter Bauteilvolumen innerhalb von acht Stunden erzeugen.
Hohe Bauteildichte im Bauraum
Ein weiterer Vorteil liegt in der effizienten Nutzung des Bauraums.
Da die Bauteile vom umgebenden Pulver gestützt werden, können sie sehr dicht gepackt werden. Je nach Geometrie lassen sich mehrere hundert Bauteile in einem einzigen Druckjob fertigen.
Keine Stützstrukturen erforderlich
Anders als bei vielen metallischen 3D-Druckverfahren werden keine zusätzlichen Supports benötigt.
Das lose Pulver übernimmt während des Druckprozesses automatisch die Stützfunktion. Dadurch entfällt der oft aufwendige Supportabbau nach dem Druck.
Große Materialvielfalt
Binder Jetting beschränkt sich nicht auf Metalle.
Das Verfahren eignet sich für:
- Metalle
- Keramiken
- Sand
- Verbundwerkstoffe
Dadurch eröffnet sich ein breites Anwendungsspektrum – von Serienbauteilen über Gießereianwendungen bis hin zu technischen Keramiken.
Bild: Bauraum Desktop Metal Shop System
Vom Druck zum fertigen Bauteil
Mit dem Druckprozess allein ist die Fertigung noch nicht abgeschlossen.
Nach dem Drucken liegt zunächst ein sogenanntes Grünteil vor. Dieses besitzt bereits die finale Geometrie, verfügt jedoch noch nicht über die gewünschten Materialeigenschaften wie Festigkeit oder Härte. Daher werden zum Beispiel keramische und metallische Werkstoffe thermisch nachbehandelt.
Der vollständige Prozess umfasst daher mehrere Schritte:
- Pulverkonditionierung
- Trocknen
- Entpulvern
- Entbindern
- Sintern bei metallischen Werkstoffen
Die Bedeutung der Pulverkonditionierung
Ein häufig unterschätzter, aber entscheidender Prozessschritt ist die Pulverkonditionierung.
Vor dem Druck muss sichergestellt werden, dass:
- ausreichend Frischpulver beigemischt wurde,
- der Feinpulveranteil stimmt,
- das Pulver ausreichend getrocknet ist,
- keine Klumpenbildung beim Schichtauftrag entsteht.
Nur ein optimal konditioniertes Pulver ermöglicht reproduzierbare Bauteileigenschaften und eine hohe Prozessstabilität.
Trocknen und Entpulvern
Nach dem Druck wird der sogenannte Pulverkuchen in einen Trocknungsofen überführt.
Bei etwa 80 °C findet das sogenannte Cross-Linking statt. Dabei vernetzt sich der Binder zwischen den einzelnen Schichten und verleiht dem Grünteil seine notwendige Festigkeit.
Die mechanische Festigkeit eines Grünteils lässt sich ungefähr mit der von Tafelkreide vergleichen.
Nach rund 24 Stunden Trocknungszeit erfolgt das Entpulvern. Dieser Arbeitsschritt wird heute in vielen Anwendungen noch manuell durchgeführt – meist mithilfe von Pinseln und Druckluft.
Entbindern und Sintern
Nach dem Entpulvern werden die Grünteile für den Sinterprozess vorbereitet.
Entbindern
Im ersten Schritt wird der Ofen auf etwa 400 °C aufgeheizt. Dadurch verdampft beziehungsweise diffundiert der Binder aus dem Bauteil.
Währenddessen wird der Ofen mit Schutzgas gespült, typischerweise mit Argon oder Formiergas. Dadurch werden die Binderbestandteile sicher aus dem Ofen entfernt.
Sintern
Anschließend erfolgt der eigentliche Sinterprozess.
Die Temperatur wird auf einen Wert knapp unterhalb des Schmelzpunkts des verwendeten Metallpulvers erhöht. Die Metallpartikel beginnen miteinander zu verschmelzen und bilden eine dichte Struktur.
Erst in diesem Schritt entstehen die späteren Materialeigenschaften wie:
- Festigkeit
- Härte
- Leitfähigkeit
- Dichte
Gleichzeitig schrumpft das Bauteil, da die Hohlräume zwischen den einzelnen Pulverpartikeln geschlossen werden.
Die größte Herausforderung: Schrumpfkompensation
Genau dieser Schrumpfungsprozess stellt eine der größten Herausforderungen im Metal Binder Jetting dar.
Da sich das Bauteil während des Sinterns deutlich verkleinert, muss die spätere Maßänderung bereits in der Konstruktion und Prozessplanung berücksichtigt werden.
Eine präzise Schrumpfkompensation entscheidet letztlich darüber, ob ein Bauteil nach dem Sintern die geforderten Abmessungen erreicht.
Der Hersteller Desktop Metal hat mit der Live Sinter Software eine spannende Lösung entwickelt. Mehr zum Thema erfahren Sie unter folgendem Beitrag: Link zum Beitrag Live Sinter einfügen
Fazit
Binder Jetting gehört zu den spannendsten Technologien im industriellen 3D-Druck. Das Verfahren überzeugt insbesondere durch seine hohe Produktivität, die Möglichkeit zur Serienfertigung, den Verzicht auf Stützstrukturen und die große Materialvielfalt.
Während Laserverfahren vor allem bei hochkomplexen Einzelteilen ihre Stärken ausspielen, bietet Binder Jetting enormes Potenzial für die wirtschaftliche Herstellung größerer Stückzahlen. Mit zunehmender Prozessreife und wachsender industrieller Nutzung dürfte die Technologie in den kommenden Jahren weiter an Bedeutung gewinnen.
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