Heat Transfer Model for Powder Bed Temperature Management of the Binder Jetting Printing Process

L’impression par jet de liant (BJ) est une technologie de fabrication additive (AM) sur lit de poudre qui présente un grand potentiel pour la production de masse de composants métalliques complexes. La BJ se différencie d'autres procédés d'AM métalliques bien établis, tels que la fusion laser sur lit de poudre (LPBF) et la déposition directe d'énergie (DED), par un processus d'impression à l'état solide. L'utilisation d'un liant permet d'assembler sélectivement des couches de poudre, couche par couche, sans qu'il soit nécessaire de les faire fondre. Pour BJ, les structures de support ne sont pas nécessaires, car les pièces imprimées sont soutenues par le lit de poudre jusqu'à ce que le liant soit durci. Cela permet d'imbriquer étroitement de nombreuses pièces imprimées à l'intérieur du lit de poudre d'une seule impression, ce qui permet une productivité élevée. De la chaleur est souvent appliquée à l'aide de lampes infrarouges ou d'une boîte de construction chauffée pour sécher partiellement le liant. Le séchage permet de minimiser les défauts d'impression, tels que le ressuage et le décollement des couches, en limitant la diffusion du liant aux zones prévues dans le lit de poudre avant le durcissement. Pour garantir l'uniformité lors de la production de masse, plusieurs paramètres tels que la vitesse de recouvrement, la puissance de la lampe, la température de la boîte de fabrication et le temps de prise du liant doivent être optimisés. Par conséquent, l'utilisation d'approches expérimentales est inefficace, car elles sont coûteuses et prennent du temps. Ce travail vise à développer un modèle de transfert de chaleur pour simuler l'historique thermique du lit de poudre. La gestion thermique du lit de poudre joue un rôle crucial dans le contrôle de la viscosité du liant et la minimisation des défauts pendant l'impression. La méthode des éléments finis (FEM) a été utilisée avec le logiciel ANSY APDL pour obtenir l'historique thermique du lit de poudre. L'approche de modélisation a ensuite été validée à l'aide des données d'une caméra thermique obtenues à partir d'une impression de 180 couches d'acier inoxydable 316L, composée de 27 spécimens dans deux formats différents. Trois zones d'intérêt ont été identifiées et utilisées pour évaluer la précision des résultats de la simulation. La température de la paroi de la boîte de construction, la température de la plaque de base, la vitesse de recouvrement, la puissance de la lampe, l'épaisseur de la couche, le temps de prise du liant et la saturation du liant ont été utilisés comme données d'entrée pour le modèle. Le modèle a été limité au lit de poudre et toutes les conditions limites liées à la conduction ont été simplifiées en convection. À l'aide de la FEM, une analyse paramétrique a été menée pour déterminer le coefficient de convection qui correspond le mieux aux données expérimentales du thermocouple mesurées dans le lit de poudre.

Abstract

Binder jetting (BJ) is a powder bed additive manufacturing (AM) technology that has great potential for mass production of complex metal components. BJ differentiates itself from other well-established metal AM processes, such as laser powder bed fusion (LPBF) and direct energy deposition (DED), by having a solid-state printing process. The usage of a binder allows to selectively join layers of powder together, layer-by-layer without the need for melting. For BJ, support structures are not required as printed parts are supported by the powder bed until the binder is cured. This allows nesting closely many printed parts inside the powder bed of a single print enabling high productivity. Heat is often applied using infrared lamps or heated build box to partially dry the binder. Drying helps minimize printing defects, such as bleeding and layer delamination, by restricting the binder's spread to the intended areas within the powder bed before curing. To guarantee uniformity during mass production, several parameters like the recoating speed, lamp power, build box temperature and binder set time need to be optimized. Therefore, using experimental approaches is inefficient because they are expensive and time-consuming. This works aims to develop a heat transfer model to simulate the thermal history of the powder bed. Thermal management of the powder bed plays a crucial role in controlling binder viscosity and minimizing defects during printing. The finite element method (FEM) was used through the software ANSY APDL to obtain the thermal history of the powder bed. The modeling approach was then validated using thermal camera data obtained from a 180-layer print of 316L stainless steel, consisting of 27 specimens in two different formats. Three areas of interest were identified and used to evaluate the accuracy of the simulation results. Build box wall temperature, base plate temperature, recoating speed, lamp power, layer thickness, binder set time and binder saturation were used as input for the model. The model was limited to the powder bed and all boundary conditions related to conduction were simplified to convection. Using FEM, a parametric analysis was conducted to determine the convection coefficient that best matches the experimental thermocouple data measured within the powder bed. The application of the binder was modeled by a change of material properties. The drying of the binder by the heat sources was also modeled as a change of material properties. The relevant material properties for the water-based binder, the 316L metal powder and the green part (binder-powder mixture dried) were determined experimentally.