On the geometrical and dimensional accuracy of metal binder jetting additive manufacturing process

Metal Binder Jetting (MBJ) stands as a potentially disruptive force within the additive manufacturing landscape, offering the capability to mass-produce high-quality industrial components. This innovative process involves depositing a liquid binder layer-by-layer onto a powder bed to fabricate intricate geometries. Subsequent post-processing steps, including curing, de-powdering, debinding, and sintering, are necessary to achieve the requisite strength and mechanical properties of the final parts. Ensuring robust quality throughout this process chain demands strict control over numerous variables. Thus, understanding the most influential factors is crucial for widespread adoption of next-generation MBJ systems within the manufacturing community. An extensive experimental evaluation was undertaken using a Metal Binder Jetting (MBJ) shop system, specifically the Desktop Metal model, to examine how powder pre-processing techniques and various printing parameters influence the quality of 17-4PH stainless steel components. The study focused on two distinct geometries: cubic shapes and more intricate parts referred to as benchmarks. Across this comprehensive investigation, parameters such as powder temperature, humidity within the printing chamber, layer height, and binder factor were systematically varied at two levels. These variations aimed to illustrate their respective impacts on the final quality attributes of the printed components. Linear shrinkage, dimensional accuracy, and surface roughness of inclined features were evaluated using various tools and digital processing techniques. An Electronic Caliper assessed linear shrinkage, while a 2D microscope Mitutoyo Quick Vision Pro machine measured dimensional accuracy. The roughness of inclined surfaces was analyzed with a 3D microscope scanner, Alicona Infinite Focus, and processed using ImageJ digital tools. Data analysis was conducted using Microsoft Excel and Minitab to enhance the assessment process. The findings suggest that layer height, powder temperature and feature orientation with respect to printing direction perform the most influential factor in attaining desirable density and hardness values, potentially overshadowing the effects of other parameters on part quality.

Il Metal Binder Jetting (MBJ) si presenta come una forza potenzialmente rivoluzionaria nel panorama della produzione additiva, offrendo la possibilità di produrre in serie componenti industriali di alta qualità. Questo processo innovativo prevede la deposizione di un legante liquido strato dopo strato su un letto di polvere per fabbricare geometrie intricate. Successivi passaggi di post-elaborazione, tra cui la polimerizzazione, la rimozione della polvere, la sgrassatura e la sinterizzazione, sono necessari per ottenere la resistenza e le proprietà meccaniche richieste delle parti finali. Assicurare una qualità robusta lungo questa catena di processo richiede un rigoroso controllo su numerose variabili. Pertanto, comprendere i fattori più influenti è cruciale per l'adozione diffusa dei sistemi MBJ di prossima generazione nella comunità manifatturiera. È stata condotta un'ampia valutazione sperimentale utilizzando un sistema di produzione Metal Binder Jetting (MBJ), specificamente il modello Desktop Metal, per esaminare come le tecniche di pre-trattamento della polvere e vari parametri di stampa influenzino la qualità dei componenti in acciaio inossidabile 17-4PH. Lo studio si è concentrato su due geometrie distinte: forme cubiche e parti più intricate indicate come benchmark. In questa completa indagine, parametri come temperatura della polvere, umidità all'interno della camera di stampa, altezza del layer e fattore di legante sono stati sistematicamente variati a due livelli. Queste variazioni miravano a illustrare i rispettivi impatti sulle caratteristiche di qualità finali dei componenti stampati. Ritiro lineare, accuratezza dimensionale e ruvidità delle superfici inclinate sono stati valutati utilizzando vari strumenti e tecniche di elaborazione digitale. Un calibro elettronico ha valutato il ritiro lineare, mentre una macchina Mitutoyo Quick Vision Pro 2D ha misurato l'accuratezza dimensionale. La ruvidità delle superfici inclinate è stata analizzata con uno scanner microscopico 3D, Alicona Infinite Focus, e processata utilizzando gli strumenti digitali di ImageJ. L'analisi dei dati è stata condotta utilizzando Microsoft Excel e Minitab per migliorare il processo di valutazione. I risultati suggeriscono che l'altezza del layer, la temperatura della polvere e l'orientamento delle caratteristiche rispetto alla direzione di stampa siano i fattori più influenti nel raggiungere valori desiderabili di densità e durezza, potenzialmente eclissando gli effetti di altri parametri sulla qualità della parte.