Pénétration de liant dans un lit de poudre en impression 3D par jets de liant

L'impression par jets de liant est une méthode polyvalente, efficace et évolutive de fabrication additive, notamment pour les métaux et les céramiques. Un défi important dans la conception des systèmes d'impression par jets de liant est la formulation et conception de liants. L'interaction entre un liant et un système de poudre est complexe. Bien qu'il existe des modèles pour prédire la dynamique générale de l'impression, ces modèles n'ont pas été rigoureusement vérifiés dans l'impression par jets de liant. La prédiction fiable du comportement d'impression permettra une accélération du développement des liants, améliorant ainsi les rendements, les propriétés mécaniques et la vitesse d'impression. Dans cette étude, les modèles existants pour l'impression par jets de liant seront examinés, en mettant l'accent sur leurs applications dans les processus d'impression. Une validation expérimentale, utilisant une approche de plan d'expériences (« design of experiments »), de ces modèles en ce qui concerne l'impression de liants polymériques est présentée. L'effet des propriétés physico-chimiques, telles que la viscosité, la tension de surface et l'angle de contact, est étudié. Les propriétés spécifiques aux polymères, telles que le poids moléculaire et l'état d'enchevêtrement (début de l'enchevêtrement de chaînes en solution entre des molécules individuelles de polymère), sont aussi considérées. Une étude supplémentaire sur l'effet de la température est présentée, en vue de l'importance du chauffage du lit de poudre dans l'impression par jets de liant. Les résultats montrent que le temps d'absorption des liants suit généralement les prédictions des modèles capillaires. Cependant, les solutions hautement concentrées ne suivent pas les tendances attendues. Le rôle de l'enchevêtrement, du chauffage et de l'évaporation du solvant sont considérés pour expliquer le comportement de ces solutions. Il est démontré que les solutions concentrées qui se rapprochent à l'enchevêtrement s'absorbent beaucoup plus lentement que prévu. Des données supplémentaires sont fournies pour montrer les limites d'un des modèles, l'effet des propriétés d'impression sur la qualité de la pièce finale et la relation entre les propriétés mécaniques des corps verts et les propriétés des liants. Il est conclu que les futurs modèles d'impression par jets de liant doivent tenir compte des propriétés changeantes du liant dues à l'évaporation tout au long du processus d'absorption, avec des considérations supplémentaires pour l'enchevêtrement dans un système polymérique. Des modèles futurs auront une compréhension plus précise de l'écoulement et de la solidification du liant dans la poudre, permettant la conception plus rapide de nouveaux liants pour une meilleure performance dans l'impression, permettant une meilleure efficacité ainsi que de nouvelles applications.

Abstract

Binder jet printing is a versatile, efficient, and scalable method of additive manufacturing, particularly for metals and ceramics. A significant challenge in the development of binder jetting systems is the formulation of binder fluids. The interaction between a binder and a powder system is complex, and while models do exist to predict the general dynamics of printing, they have not been widely tested in binder jetting. If printing behaviour can be predicted, the development of binders can be accelerated, thus improving yields, mechanical properties, and speed of binder jetting. In this study, existing capillary models of binder jetting will be reviewed, with emphasis on their applications in binder jetting processes. An experimental validation, using a design of experiments approach, of these models with respect to the printing of polymeric binders is presented. The effect of key properties, such as viscosity, surface tension, and contact angle, is tested, along with polymer-specific properties such as molecular weight, chemistry, and entanglement state (onset of chain entanglement in solution between individual polymer molecules). An additional study on the effect of temperature is presented, given the importance of heating the powder bed in production processes. The results show that binder absorption times generally follow the predictions of capillary models. However, highly concentrated solutions deviate significantly from the expected trends. The role of entanglement, heating, and evaporation of solvent is considered to explain these deviations. It is demonstrated that concentrated solutions close to the onset of entanglement will absorb much more slowly than predicted. Additional data is provided to show limitations of a common model, the effect of printing properties on final part quality, and the relationship between mechanical properties of green bodies and the properties of binders. It is concluded that future models of binder jet printing must account for the changing properties of the binder due to evaporation throughout the absorption process, with additional considerations for entanglement in polymer systems. Improved models will provide a more accurate understanding of the flow and solidification of binder in the powder, allowing faster development of new binders for improved performance in printing, enabling improved efficiency and new applications.