Der vollständige Leitfaden zum 3D-Druck mit Multi Jet Fusion (MJF)

Wenn es um die additive Fertigung geht, kann man mit Sicherheit sagen, dass es definitiv keine Einheitsgröße für alle gibt. Zwar bleibt die Grundlage der Technologie, die Entwicklung von Schicht für Schicht, konstant, aber die Art und Weise, wie dies geschieht, ist es nicht. Tatsächlich gibt es derzeit 7 additive Fertigungsfamilien, die die Verfahren voneinander trennen: Photopolymerisation, Materialextrusion, Material Jetting, Binder Jetting, Powder Bed Fusion, Directed Energy Deposition und Blechlaminierung. Manchmal gibt es aber auch Verfahren, die nicht ganz in eine dieser Gruppen passen. Ein bemerkenswertes Beispiel ist Multi Jet Fusion (MJF) von HP.

Technisch gesehen gehört MJF zur Familie der Pulverbettfusion. Das ist nicht überraschend, wenn man bedenkt, dass die Technologie sowohl ein Pulverbett als auch Schmelzmittel umfasst. Es weist aber auch Gemeinsamkeiten mit anderen Verfahren auf, insbesondere mit dem Binder Jetting. Wir haben uns die Funktionsweise, die Vorteile, die Grenzen und die Anwendungen dieser Technologie genauer angesehen.

Bild: HP

Wie funktioniert Multi Jet Fusion?

Aber was genau ist Multi Jet Fusion? Nun, die Technologie wurde 2016 von HP entwickelt, aufbauend auf der Erfahrung des Unternehmens im Tintenstrahldruck, und ist sowohl mit starren als auch mit elastomeren Polymeren kompatibel. Obwohl es sich um einen relativen Neuling auf dem 3D-Druckmarkt handelt (zum Vergleich: Stereolithografie und Fused Deposition Modeling wurden beide in den frühen 80er Jahren entwickelt, und viele Metall-AM-Verfahren kamen in den 90er Jahren auf den Markt), ist es relativ beliebt, vor allem wenn es um die Herstellung hochpräziser und haltbarer Polymerteile geht.

MJF könnte man in gewisser Weise als eine Mischung aus Pulverbettschmelzen und Binderstrahlverfahren betrachten. Das liegt daran, dass die Technologie, wie der Name schon sagt, sowohl Jetting als auch Fusing beinhaltet. Am Anfang steht natürlich eine Pulverbeschichtung, die erhitzt wird, um eine gleichmäßige und genaue Temperaturkontrolle zu gewährleisten, bevor sie an den entsprechenden Stellen mit dem Schmelzmittel und dem Detaillierungsmittel bedeckt wird, um die Schicht des Teils mit Hilfe der Inkjet-Technologie zu entwickeln. Das Schmelzmittel ist das Material, das verschmolzen wird, während das Detaillierungsmittel dazu beiträgt, klare Kanten auf dem Teil für viel feinere Details zu schaffen. Anschließend wird die Energie in einem Arbeitsgang auf die Schicht aufgebracht, was wesentlich schneller ist als bei laserbasierten Verfahren, bei denen Punkt für Punkt verschmolzen wird. Das mit dem Schmelzmittel bedeckte Pulver wird anschließend geschmolzen, während das mit dem Detailierungsmittel bedeckte Pulver lose bleibt und die genauen Grenzen des Teils definiert. Dies wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das endgültige Teil fertig ist. Ein weiterer Unterschied bei MJF besteht darin, dass neue Material- und Bindemittelschichten aufgetragen werden, während die vorherigen Schichten noch geschmolzen sind, so dass beide vollständig verschmelzen können und die Haltbarkeit und die Feinheiten eines Teils verbessert werden.

Nach dem Druck müssen die mit MJF hergestellten Teile nachbearbeitet werden, insbesondere durch die Beseitigung des losen Pulvers, das das Teil umgibt. Dieses lose Pulver macht jedoch Stützstrukturen überflüssig, genau wie beim SLS– und Binder Jetting-Verfahren, so dass eine Entfernung der Stützstrukturen nicht erforderlich ist. Das Teil wird zu einer separaten Bearbeitungsstation transportiert, die Teil der MJF-Lösungen von HP ist und in der das lose, ungeschmolzene Pulver aufgesaugt oder perlgestrahlt und wiederverwendet werden kann. Es sind auch viele andere Nachbearbeitungsschritte möglich, um die Eigenschaften des Teils zu verbessern oder Oberflächen zu glätten.

Zurzeit ist die Technologie nur HP vorbehalten. Das Unternehmen hat derzeit zwei MJF-Lösungen im Angebot: HP Jet Fusion 4200 und HP Jet Fusion 5200. Außerdem ist die Technologie derzeit nur mit Polymeren kompatibel, nämlich TPU, PP, TPU, PA11, PA12 und PA12 mit Glasperlen.

Ein Schema des Multi Jet Fusion (MJF)-Prozesses mit der Baueinheit und der Verarbeitungseinheit (Bild: Amer Alomarah via ResearchGate)

Vorteile und Limitationen von MJF

Aber was genau sind die Vor- und Nachteile der Verwendung von MJF? Nun, wenn wir uns zunächst die Nachteile ansehen, ist einer der größten, dass die Erstinvestition in den Drucker teuer ist. Da nur ein Unternehmen Multi Jet Fusion-Lösungen anbietet, gibt es auf dem Markt keine billigeren Optionen. Der HP Jet Fusion 4200 hat einen Startpreis von über 200.000 Dollar, während der HP Jet Fusion 5200 bei etwa 350.000 Dollar beginnt. Im Laufe der Zeit werden die Teile sicherlich wesentlich kostengünstiger, aber die Anfangsinvestition ist nicht zu vernachlässigen.

Ein weiterer bedeutender Nachteil ist, dass die Technologie in Bezug auf die Materialauswahl immer noch relativ begrenzt ist, obwohl sie seit 2016 stark erweitert wurde. Derzeit bietet HP sieben kompatible Materialien für seine Maschinen an, die jedoch nicht alle mit beiden Lösungen kompatibel sind. Der HP Jet Fusion 4200 ist mit Estane® 3D PU M95A, TPA, PA11, PA12 und PA12 Glasperlen kompatibel. Der HP Jet Fusion 5200 hingegen ist mit den drei letztgenannten Materialien sowie mit PP und BASF Ultrasint® TPU01 kompatibel. Die Materialien sind sehr unterschiedlich und ermöglichen natürlich eine Vielzahl von Anwendungen und Eigenschaften, aber im Vergleich zu vielen anderen AM-Technologien sind sie doch sehr begrenzt.

Zu den letzten Nachteilen gehört die Tatsache, dass das Endprodukt ohne Färbemittel grau und leicht rau ist, so dass die Anwender wahrscheinlich zusätzliche Nachbearbeitungsschritte benötigen. Dies kann dazu führen, dass kleine erhabene Texte und kosmetische Teile verloren gehen. Die Technologie ist auch nicht in der Lage, einige gekrümmte, hohle Geometrien herzustellen.

Teile, die mittels MJF erstellt werden (Bild: Hubs)

Es hat jedoch auch eine Reihe von bedeutenden Vorteilen. Ähnlich wie beim Binder Jetting hat HP Multi Jet Fusion dank der Tintenstrahltechnologie eine hohe Druckgeschwindigkeit und einen schnellen Produktionszyklus sowie die Möglichkeit, viele Teile auf einmal zu drucken. Es ist in der Lage, Teile mit hoher Geschwindigkeit zu produzieren, ohne dass die Qualität darunter leidet, was es zu einem beliebten Verfahren für alle Arten von Teilen macht, vom Prototyping bis zur Endanwendung.

Isotropie in den fertigen Teilen ist einer der Hauptvorteile von Multi Jet Fusion. Definiert als die Eigenschaft, in allen Richtungen identisch zu sein oder die gleichen physikalischen Eigenschaften zu haben, ist Isotropie nicht für alle 3D-gedruckten Teile erforderlich, aber entscheidend für diejenigen, die in der Lage sein müssen, Lasten oder Kräfte in alle Richtungen zu übertragen. Aus diesem Grund ist MJF verständlicherweise bei Anwendern beliebt, die Teile mit konsistenten isotropen mechanischen Eigenschaften benötigen.

Außerdem bietet MJF trotz einiger Einschränkungen im Allgemeinen eine große Designfreiheit, da keine Stützen erforderlich sind. Außerdem ist die Recyclingrate des Pulvers hoch, insbesondere im Vergleich zu anderen Pulverbettschmelzverfahren, die je nach Material zwischen 80 und 85 % liegt. Außerdem ist das Verfahren hochpräzise. Die Voxel-für-Voxel-Produktion von HP MJF ermöglicht sehr feine Details bei den Bauteilen und bietet eine hohe Oberflächengüte, vor allem nach einer zusätzlichen Nachbearbeitung.

Anwendungen der Technologie

Angesichts der zahlreichen Vorteile des Multi Jet Fusion 3D-Drucks liegt es auf der Hand, dass es eine Reihe von Anwendungen in verschiedenen Branchen gibt. Und das ist sicherlich der Fall. Trotz der Materialbeschränkungen wird MJF in so unterschiedlichen Bereichen wie Industrie, Medizin, Automobil und Konsumgüter eingesetzt.

MJF kann in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt werden, darunter auch im medizinischen Bereich, wie diese Orthese zeigt (Bild: Invent Medical)

Und die MJF wächst weiter. HP arbeitet kontinuierlich an der Verbesserung der Technologie, der Einführung neuer Materialien und der Verbesserung der Verfahren für einen noch rationelleren und effektiveren Produktionsprozess. Im Moment ist es noch eines der beliebtesten Verfahren und wird es wahrscheinlich auch in naher Zukunft bleiben. Darüber hinaus hat HP vor kurzem sein eigenes 3D-Druckverfahren für Metall, HP Metal Jet, vorgestellt, mit dem das Unternehmen noch mehr Anwendungsbereiche erschließt. Mehr darüber erfahren Sie auf der HP-Website HIER.

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*Titelbildnachweis: HP