L’anno del binder jetting

La tecnologia di binder jetting metallico, ora nota anche con l’acronimo MBJ, è, allo stesso tempo, la prima e la più recente opportunità per i processi AM metallici basati su legante. Inventata al MIT nel 1993, la tecnologia utilizza una testina di stampa a getto d’inchiostro per applicare un legante a un letto di polvere metallica e formare parti verdi simili alle parti prodotte dallo stampaggio a iniezione di metalli (MIM). Queste parti subiscono quindi una serie di post-processing (che differiscono per ogni specifica tecnologia), inclusa la sinterizzazione, per fornire le parti finali.

Il pioniere del segmento ExOne ha ntrodotto il suo primo sistema di binder jetting metallici quasi due decenni fa, dopo aver concesso in licenza il brevetto originale del MIT nel 1996. Tuttavia, solo di recente l’azienda ha introdotto nuovi sistemi su misura per una maggiore produttività. ExOne lo ha fatto in risposta a molti altri grandi attori che annunciavano piani per entrare nel mercato dei binder jetting metallici. In particolare, lavorando con l’inventore della tecnologia Eli Sachs, Desktop Metal è stata fondata nel 2015 dall’imprenditore seriale Ric Fulop e ha introdotto il concetto di un sistema di getto di leganti metallici ad alta produttività. L’intuizione di Fulop è stata che, ottimizzando e automatizzando la fase di post-elaborazione (compresa l’eliminazione della necessità di supporti metallici durante la fase di costruzione), i flussi di lavoro di binder jetting metallici potrebbero fornire una produttività significativamente maggiore e quindi un costo per parte inferiore rispetto alla più consolidata fusione a letto di polvere metallica tecnologie.

Dopo un ampio sviluppo, queste macchine sono ora entrate nella commercializzazione su vasta scala. La relazione tra le due società si è chiusa quando Desktop Metal ha condotto un’IPO di successo tramite una fusione SPAC nel 2020 e ha utilizzato i fondi per acquisire ExOne nel 2021.

La crescente concorrenza in questo segmento, poiché la tecnologia si evolve per mirare a produzioni in lotti più grandi rispetto ai processi PBF in metallo, ha riunito questi due agguerriti concorrenti, in uno scenario in cui molte cose accadono contemporaneamente. Desktop Metal ed ExOne hanno unito le forze per competere contro due grandi gruppi industriali che sono già diventati leader in diverse aree di produzione della stampa 3D: GE (GE Additive) e HP (HP 3D Printing).

Il processo MBJ

Il processo di binder jetting metallico prevede la deposizione selettiva di goccioline di legante e un’ampia post-elaborazione. In primo luogo, le testine di stampa a getto d’inchiostro depositano selettivamente goccioline di materiale legante su un letto di polvere metallica fino a creare un intero strato; la lastra di stampa quindi si abbassa, viene applicato un nuovo strato di polvere e viene depositato un altro strato di legante. Quando ogni strato di legante è stato depositato, la parte (nel suo stato verde fragile) viene lasciata indurire per diverse ore. Per aumentarne ulteriormente la resistenza e ridurne la porosità, il pezzo deve essere sottoposto a un processo di sinterizzazione o infiltrazione. La sinterizzazione prevede il riscaldamento del pezzo per un massimo di 36 ore in un forno a circa 100°C. Questo brucia il materiale legante e fa fondere insieme le particelle di metallo. L’infiltrazione introduce un metallo fuso con una bassa temperatura di fusione, che filtra attraverso la parte e riempie i vuoti lasciati dal materiale legante bruciato. Ci sono vantaggi e svantaggi per ogni metodo. L’infiltrazione produce parti leggermente meno dense rispetto alla sinterizzazione, ma la sinterizzazione può causare un ritiro delle parti indesiderato e imprevedibile.

Il getto di leganti metallici è visto da più parti interessate come la soluzione più praticabile per introdurre la produzione additiva in serie e ad alto rendimento, economicamente vantaggiosa, in grandi lotti in segmenti come i prodotti automobilistici e di consumo per il mercato di massa, nonché una soluzione praticabile per grandi lotti produzione di parti per macchine industriali.

Poiché i metalli non vengono fusi durante il processo, il getto di legante elimina alcuni problemi relativi alle sollecitazioni residue durante il processo e stampa le parti verdi a una velocità molto elevata. Non sono necessari supporti, poiché le sporgenze sono supportate da polveri sciolte nel letto, il che si traduce in una post-elaborazione più breve e possibilità geometriche più complesse.

Tuttavia, la necessità di sinterizzare le parti in un forno dopo la fabbricazione presenta alcune sfide intrinseche. Questi includono il costo dei sistemi di sinterizzazione, i lunghi tempi necessari per la sinterizzazione del forno e la necessità di tenere conto del significativo ritiro delle parti attraverso funzionalità software avanzate, che presentano più sfide per AM rispetto ad altri processi di produzione a causa della complessità di alcune parti AM.

VANTAGGI MBJ

• Maggiore produttività (fino a dieci volte rispetto a PBF)
• Diversi grandi operatori si affacciano al mercato con importanti investimenti
• Non necessita di supporti
• CapEx potenzialmente inferiore (rispetto a PBF)
• Produce parti a forma di rete
• Potenziale ad altissima risoluzione

SFIDE MBJ

• Ancora non testato per la produzione su larga scala
• Richiede una lunga sinterizzazione in un forno come fase di post-elaborazione
• Significativo ritiro delle parti da tenere in considerazione
• Ancora per lo più non testato per parti completamente dense senza ulteriori fasi di infiltrazione
• Selezione ancora limitata di materiali disponibili (rispetto a PBF)
• Alcuni processi richiedono polveri più fini del PBF
• Difficile produrre pezzi di grandi dimensioni

Tendenze MBJ rispetto ad altre tecnologie AM metalliche

Nel suo primo rapporto sul mercato di Metal AM, 3dpbm Research ha previsto che i ricavi complessivi dell’hardware in metallo AM aumenteranno del 33,7% CAGR nel prossimo periodo di 10 anni, da poco meno di 1 miliardo di dollari di vendite globali annuali nel 2020 a poco più di 18 miliardi di dollari di vendite globali annuali entro il 2030. Si prevede che il binder jetting crescerà al 55% CAGR. Questo tasso molto elevato è dovuto a una combinazione del getto di legante che è stato esplorato commercialmente solo marginalmente fino ad ora e al suo ampio potenziale di adozione per il prossimo decennio, supportato da importanti investimenti.

Il binder jetting è visto come una tecnologia chiave per consentire una produzione AM ad alto rendimento in segmenti come i prodotti automobilistici e di consumo. Il metallo legato è attualmente più consolidato del binder jetting, da cui il CAGR inferiore del 45,8%; tuttavia, anche il suo potenziale complessivo come processo AM per metalli più conveniente è ancora in gran parte inesplorato.

MBJ è qui

A partire dal 2017-2018, GE Additive e la stampa 3D HP hanno rivelato che stavano entrando nel mercato del getto di leganti metallici con l’obiettivo di offrire sistemi ad alta produttività entro pochi anni. La pandemia ha rallentato i loro sforzi, ma ora è giunto il momento per la piena commercializzazione sul mercato dei loro primi sistemi di getto di leganti metallici. Nel frattempo, anche altre aziende sono entrate in questo segmento di mercato offrendo soluzioni di produzione credibili: tra queste Markforged (l’azienda statunitense ha acquisito un altro pioniere di MBJ, Digital Metal, nel 2022) e Ricoh (sviluppando internamente una propria soluzione).

Stampa 3D HP vs additivo GE

Dato che esamineremo più in dettaglio nella storia dedicata alle funzionalità di questo eBook, HP 3D Printing è stato il primo grande attore industriale a impegnarsi nello sviluppo di una tecnologia MBJ in grado di produrre. Ciò che è noto oggi a MetalJet è stato annunciato per la prima volta alla mostra IMTS 2018, insieme a una sequenza temporale per le tecnologie sviluppate in collaborazione con i principali partner alpha e beta. La macchina pronta per il mercato, la Metal Jet S100 è stata finalmente presentata all’IMTS 2022 ed è in mostra per la prima volta ai clienti europei al Formnext 2022. HP sta entrando nel segmento della produzione di stampa 3D in metallo sfruttando l’esperienza complessiva di successo nel segmento AM polimerico con la tecnologia MultiJet Fusion, che ha notevolmente accelerato e ridotto i costi per la produzione di parti polimeriche AM.

Il prossimo contendente al dominio del mercato MBJ, GE Additive, sta entrando in questo segmento grazie all’esperienza che l’azienda ha costruito nella produzione di metallo AM tramite processi PBF di metallo. Nel 2016, General Electric ha acquisito il produttore tedesco di hardware PBF in metallo laser Concept Laser e il produttore svedese di hardware PBF in metallo a fascio di elettroni Arcam (e il produttore di polvere metallica di proprietà di Arcam AP&C). La Binder Jet Line Series 3 è stata sviluppata per la produzione additiva di parti complesse, piccole e grandi, fino al peso di 25 kg, in acciaio inossidabile, senza limitazioni note sullo spessore massimo della parete. Sulla base del contributo di clienti e partner durante la fase di sviluppo della tecnologia, GE Additive si concentra sul consentire l’eventuale implementazione di 40, 50 e oltre 100 installazioni di macchine che guideranno la qualità del processo ripetibile.

Markforged/Digital Metals e Ricoh

Gli altri contendenti includono Markforged/Digital Metal e Ricoh. Sebbene gli investimenti e gli sforzi alla base di questi progetti non siano così significativi come quelli realizzati dalle società menzionate in precedenza, entrambi presentano opportunità uniche.

L’accordo Markforged/Digital Metal è quasi identico per natura e strategia alla fusione Desktop Metal/ExOne. Markforged è un concorrente diretto di Desktop Metal nel segmento della stampa 3D in metallo rilegato (le due società hanno anche affrontato una lunga causa in tribunale per i brevetti), tuttavia, Markforged può sfruttare un’attività di soluzioni di stampa 3D composita già di successo. Proprio come Desktop Metal, Markforged è diventata pubblica attraverso una fusione SPAC finalizzata nel 2022 e ha raccolto fondi significativi. Alcuni di questi sono stati immediatamente utilizzati per acquisire il pioniere del getto di leganti metallici Digital Metal dalla società svedese Hoganas e le sue tecnologie di getto di leganti metallici DMP/PRO.

Ricoh è più indietro nel segmento MBF in metallo, ma l’esperienza leader mondiale dell’azienda nel mercato delle testine di stampa a getto d’inchiostro può essere una risorsa formidabile, come lo è stata nell’impresa di HP. L’azienda giapponese sta attualmente mantenendo il suo sviluppo della produzione additiva in un ambito relativamente stretto, e gran parte di esso si svolge presso il suo Customer Experience Center a Telford, nel Regno Unito. Il CEC sta cercando di sviluppare stampanti 3D e una soluzione completa per il flusso di lavoro di produzione per la produzione di parti in alluminio utilizzando MBJ 3D.

Un’ultima azienda da tenere a mente in questo segmento è 3DEO con sede negli Stati Uniti. Il motivo per cui non li consideriamo un contendente nel mercato MBJ è che utilizzano una tecnologia proprietaria MBJ per la produzione interna di parti. Concentrandosi principalmente su grandi lotti di una parte molto piccola (simile ai metalli digitali), 3DEO ha prodotto il maggior numero di parti stampate in 3D MBJ di qualsiasi azienda fino ad oggi, secondo i dati pubblicati nel rapporto di 3dpbm: merato Metal AM Opportunities and Trends 2020-2030.

Questo articolo è un’anteprima dell’analisi completa del segmento di mercato del binder jetting metallico presentata nel prossimo eBook AM Focus Metal che sarà rilasciato prima di Formnext.