Material Jetting: Wir erklären Ihnen das 3D-Druckverfahren

Es gibt derzeit viele verschiedene additive Fertigungstechnologien auf dem Markt, die jeweils mit unterschiedlichen Materialien und ganz spezifischen Anwendungen verbunden sind. Nach unseren Artikeln über das selektive Lasersintern (SLS) und die Schmelzschichtung (FDM) stellen wir Ihnen heute den 3D-Druck mit Material Jetting (Materialstrahlverfahren) vor, ein Verfahren, mit dem Sie unter anderem Objekte herstellen können, die verschiedene Materialien und Farben kombinieren.

Geschichte und Entwicklung von Material Jetting

Der 3D-Materialstrahldruck, der 1999 von der Firma Objet Ltd. patentiert wurde (die 2012 mit Stratasys fusionierte), kombiniert die Inkjet-Technologie mit der Verwendung von Fotopolymeren. Die Inkjet-Technologie (auch Tintenstrahldruck genannt) wird von herkömmlichen 2D-Papierdruckern verwendet, während Fotopolymere Materialien sind, die bei Kontakt mit ultravioletten Strahlen aushärten. Diese Technologie hat viele Vorteile: eine hervorragende Auflösung (bis zu 0,016 mm), glatte Oberflächen (kein Treppeneffekt wie z. B. bei Objekten, die mit FDM gedruckt werden) sowie eine große Auswahl an Materialien und Farben bei relativ geringen Kosten und Druckzeiten.

Wie funktioniert der 3D-Druck mit Material Jetting?

Das flüssige Material wird auf 30-70 ° C erhitzt und erhält so die für den Druck geeignete Viskosität. Der Druckkopf, der dem eines Tintenstrahldruckers sehr ähnlich ist, spritzt dann Hunderte von Mikrotröpfchen aus einem fotopolymeren Harz, das auf ultraviolettes Licht reagiert. Die Düsen, mit denen der Druckkopf ausgestattet ist, können verschiedene Materialien versprühen und diese sogar kombinieren, um von mechanischen Leistungsmerkmalen, besonderen ästhetischen Eigenschaften oder löslichen Medien zu profitieren. Die Materialtröpfchen werden auf die Druckplatte gespritzt und während des Drucks mithilfe einer UV-Lichtquelle verfestigt. Diese ist in den Druckkopf integriert und härtet das Material aus, um die einzelnen Schichten zu bilden. Wie das Stereolithografieverfahren beruht auch diese Technologie auf dem Prinzip der Fotopolymerisation.
Obwohl Material Jetting oft ausschließlich als Polyjet (ursprünglich von Objet entwickelt und jetzt von Stratasys verwendet) beschrieben wird, gibt es auch andere Technologien für den 3D-Druck mit Material Jetting, darunter :

• Drop-on-Demand-Technologie (DOD): Bei dieser Technologie wird ein Druckkopf mit zwei Düsen verwendet, die das Druckmaterial und die löslichen Medien Punkt für Punkt auftragen. Nachdem die Materialtröpfchen einer Schicht auf die Druckplatte gespritzt wurden, schleift der Drucker die Oberfläche mit einem Schneidfräser, um eine absolut ebene Oberfläche zu gewährleisten. Die DOD-Technologie wird hauptsächlich zur Herstellung von Formen und Objekten für das Wachsausschmelzverfahren verwendet.
• Nanopartikelstrahl (NPJ): Diese von XJet entwickelte und patentierte Technologie nutzt einen Druckkopf mit einer Düse, die eine Flüssigkeit mit metallischen oder keramischen Nanopartikeln verspritzt. Eine Wärmequelle hält den Druckraum auf einer Temperatur von ca. 300 °C, damit das Bindemittel verdampfen kann. In einer Sinterphase wird das Werkstück nach dem Drucken verfestigt.

Hauptvorteile von Material Jetting

Der Hauptvorteil der Material-Jetting-Technologie liegt in ihrer Fähigkeit, Teile aus mehreren Materialien und in mehreren Farben zu drucken. Dank mehrerer Druckköpfe kann jedes Material in einem separaten Kopf gelagert werden, sodass verschiedene Materialien und Farben verarbeitet werden können. Das resultierende Verbundmaterial wird als Digital Material bezeichnet und eignet sich für die Erstellung detaillierter Prototypen, die dem endgültigen Modell sehr nahe kommen (Temperaturbeständigkeit, Bioverträglichkeit, starr oder flexibel usw.).

So fonktioniert Material Jetting. (Bild: 3D Hubs)

Kompatible Materialien 

Diese Technologie bietet eine große Auswahl an Materialien, von Elastomeren bis hin zu starren Werkstoffen und ermöglicht die Herstellung von Teilen, die verschiedene Eigenschaften miteinander kombinieren. Die im Prozess verwendeten Fotopolymere können aufgrund ihrer Biokompatibilität für verschiedene Anwendungen, einschließlich der Medizin, geeignet sein. Die Vielfalt der verfügbaren Materialien erweitert die Gestaltungsmöglichkeiten und eignet sich für unterschiedliche Branchen.

Nachbearbeitung

Je nach verwendeter Material-Jetting-Technologie kann dennoch ein zusätzlicher Nachbehandlungsschritt (z. B. das Sintern) erforderlich sein.

Markt für Material Jetting: Hersteller und Anwendungen

Der 3D-Materialstrahldruck findet seine Anwendung in der Herstellung detaillierter und funktionaler Prototypen. Besonders beliebt ist er in der Medizinbranche, um präzise und farbenfrohe anatomische Modelle zu erstellen. Unter den Herstellern von Geräten, die diese Technologie verwenden, nimmt Stratasys mit seiner PolyJet-Serie eine führende Position ein. Die bekanntesten sind wohl der J750 und der J350, die beide mit Pantone-Farben kompatibel sind und Prototypen in über 500.000 Farben, Texturen, Farbverläufen, Transparenzen und Materialhärten drucken können. 3D Systems bietet auch eine Reihe von 3D-Material Jetting-Druckern an, eine Technologie namens MultiJet, wie z. B. den ProJet MJP 5600. Die Farbvielfalt ist nicht so groß wie bei Stratasys, aber die Methode kann auch zur Herstellung verschiedener Prototypen verwendet werden, mit elastischen oder harten Materialien.

Das von XJet entwickelte Verfahren (Bild: XJet)

Material Jetting entwickelt sich immer weiter und eröffnet neue Möglichkeiten in verschiedenen Bereichen wie Medizin, Kunst, Schmuck und vielen anderen. Mit innovativen Herstellern und wachsenden Anwendungen bleibt Verfahren eine vielseitige Methode für die additive Fertigung.

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*Titelbildnachweis: medizinisches Modell, hergestellt mit dem Stratasys J750 (Bild: SYS Systems)