3D-Druck-Verfahren vorgestellt Was kann Multi Jet Fusion (MJF)?

Autor / Redakteur: Christoph Erbe* / Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Vom Namen her sind die meisten Verfahren zur additiven Fertigung mit Metall und Kunststoff bekannt. Doch wie funktionieren sie? Was sind ihre Stärken, was ihre Schwächen? Was ist beim Bauteildesign zu beachten? Und für welche Anwendungen sind sie geeignet? 3D-Druck-Spezialist Materialise gibt einen Überblick. Teil 6: Multi Jet Fusion

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Beim Multi-Jet-Fusion-Verfahren wird sehr feines Kunststoffpulver Schicht für Schicht mit einer wärmeleitenden und einer wärmehemmenden Flüssigkeit benetzt. Anschließend verschmelzen die Partikel durch Infrarotlicht.
Beim Multi-Jet-Fusion-Verfahren wird sehr feines Kunststoffpulver Schicht für Schicht mit einer wärmeleitenden und einer wärmehemmenden Flüssigkeit benetzt. Anschließend verschmelzen die Partikel durch Infrarotlicht.
(Bild: Materialise)

Das 3D-Druck-Verfahren Multi Jet Fusion (MJF) kam 2016 von HP auf den Markt und ist ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffteilen. Es basiert zwar auf Pulver als Druckmaterial, verwendet jedoch keine Laser. Stattdessen kommen zwei Flüssigkeiten sowie Infrarotlicht zum Einsatz. Das Pulverbett im Bauraum wird zu Beginn gleichmäßig aufgeheizt. Schrittweise werden die einzelnen Pulverschichten aufgebracht. In jeder Schicht wird ein wärmeleitendes Mittel, der Fusion-Agent, dort eingespritzt, wo Pulver verschmolzen werden soll und ein wärmehemmendes Mittel, der Detailing-Agent, kommt rund um die Konturen hinzu, um feine Details und eine glatte Oberfläche zu realisieren. Gleichzeitig werden Infrarotlampen über die Oberfläche des Pulverbetts geführt und lassen im Zusammenspiel mit den Agenden die Partikel präzise verschmelzen. Am Ende wird das Bauteil vom Pulver befreit.

Eigenschaften und Anwendungsfelder

Prozessbedingt bietet MJF daher eine gute zeitliche Planbarkeit: Da der Schmelzvorgang nicht auf einer Laserbewegung beruht, die je nach zu belichtender Fläche variiert, dauert der Druckvorgang für jede Schicht exakt gleich lang. So lässt sich die Druckdauer genau vorhersagen.

Im Vergleich zu FDM und auch tendenziell SLS verschmelzen die Schichten besser miteinander und weisen eine sehr geringe Anisotropie auf. Die Ausrichtung der Bauteile im Bauraum ist dadurch weniger relevant. Anwender profitieren so von verkürzten Vorlaufzeiten und von der Möglichkeit, mehr Bauteile in ausreichender Qualität in einem Baujob zu fertigen. Die Stärken von durch MJF erstellter Bauteile ergeben sich aus der Feinkörnigkeit des eingesetzten Pulvers. Es ermöglicht ultradünne Schichten von 80 µm. Dadurch entstehen beim Druck Bauteile mit höherer Dichte und geringer Porosität.

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Außerdem lassen sich Details besser auflösen, dünnere Wände drucken und die Oberfläche der Teile ist von vornherein relativ glatt. MJF bietet die vom 3D-Druck bekannte Designfreiheit und benötigt wie SLS keine Stützstrukturen. In Kombination mit der geringen Anisotropie vereinfacht dies das Bauteildesign.

Die bereits sehr glatten Oberflächen der Bauteile und das Fehlen von Stützstrukturen senkt in vielen Fällen zudem den Zeitaufwand für die Nachbearbeitung. Bei Funktionsteilen zum Beispiel ist oft nur ein Sandstrahlen nötig. Der verfügbare Bauraum schränkt jedoch die Größe der Bauteile gemachte werden.

Alles in allem ist MJF ideal für Prototypen für Eignungs- und Funktionstest, zumal die Bauteile auch mechanische Eigenschaften haben, die mit denen von Spritzgussbauteilen ähnlich sind. Ebenso eignet sich das Verfahren für Kleinserien komplexer Funktionsteile und in manchen Fällen sogar als kostengünstige Alternative zu Spritzguss. Auch für die Fertigung individualisierter Massenproduktion eignet es sich.

Materialien

Materialise nutzt zurzeit zwei Materialien: Das bereits aus dem Lasersintern bekannte Polyamid PA 12 sowie das speziell für das MJF-Verfahren entwickelte thermoplastische Polyurethan Ultrasint TPU 90A.01.

Bauteile aus PA 12 besitzen eine hohe Festigkeit, Steifigkeit und Spannungsrissbeständigkeit, was sie besonders langlebig macht. Zudem sind sie besonders resistent gegenüber Chemikalien wie zum Beispiel Öl. Unbearbeitete Bauteile haben eine weiche Oberfläche ohne sichtbare Schichten und eine steingraue Farbe. Da die Bauteile im Innern schwarz sind, verzeihen sie bei entsprechender Einfärbung kleinere Kratzer im späteren Gebrauch. Das Material lässt sich gut imprägnieren.

Das Material Ultrasint TPU 90A.01 ist nach der Verarbeitung sehr flexibel und reißfest sowie über einen großen Temperaturbereich dauerhaft elastisch. Ebenso bieten daraus gefertigte Objekte eine hohe Verschleiß- und Abriebfestigkeit. Anders als PA 12 lässt sich das Material nicht gut einfärben, sondern nur spritzlackieren.

Designtipps

Materialise hat mit beiden Materialien bereits mit deren Markteinführung umfangreiche Erfahrungen gesammelt und kann für die Konstruktion einige Empfehlungen geben.

In Bezug auf die Wandstärke zeigt die Praxis, dass bei PA 12 eine Dicke von 2 bis 3 Millimetern, bei Ultrasint TPU eine Dicke von 1 bis 2 Millimetern optimal ist. Werden dünnere Wände benötigt, sollten diese ab einer Wandlänge von 10 Millimetern mit dem Polyamid-Material mindestens 1 Millimeter stark sein, mit dem Polyurethan mindestens 0,8 Millimeter. Noch dünnere Wände, etwa für Scharniere, sind ebenfalls möglich, doch empfiehlt es sich dann, den Abschnitt nicht länger als 10 Millimeter zu gestalten.

30 Jahre Erfahrung

Materialise hat drei Jahrzehnte Erfahrungen mit allen wichtigen additiven Fertigungsverfahren aufgebaut. Zum einen druckt das Unternehmen in acht unterschiedlichen Technologien auf über 200 3D-Druckern. Zum anderen ist Materialise führender Anbieter von 3D-Druck-Software, die in enger Zusammenarbeit mit allen großen Maschinenherstellern und unter Einbezug der eigenen Fertigungserfahrungen entwickelt und laufend optimiert wird.

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Eine weitere Empfehlung ist es, die Bauteile so gut wie möglich auszuhöhlen, spätestens ab einer Wanddicke von 20 Millimetern auch die Wand selbst. Dadurch wird nicht nur Material gespart und das Gewicht reduziert, sondern es werden auch Einfallstellen verringert, die bei Materialanhäufung entstehen. Um das Pulver effizient und möglichst vollständig herauslösen zu können, sind die Hohlräume mit mindestens zwei Öffnungen zu versehen. Bei PA 12 sollten diese einen Durchmesser von mindestens 2 Millimetern, bei Ultrasint TPU von mindestens 10 Millimetern haben.

Um einem Bauteil bei großen Hohlräumen ausreichend Stabilität zu geben, ist es sinnvoll, diese Hohlräume mit Gitterstrukturen zu füllen. Bei PA 12 reicht ein Abstand von 1 Millimeter zwischen den Gitterstreben, um das Pulver später gut entfernen zu können. Bei Ultrasint TPU sollte der Abstand dagegen mindestens 5 Millimeter betragen.

Bei Verwendung von Polyamid im MJF-Verfahren ist es wichtig, auf die Größe der Oberflächen zu achten. Sie neigen aufgrund des termischen Prozesses und der Bauteilausrichtung zum Eindellen. Es sollten keine planen Flächen größer als DIN A4 vorgesehen werden. Bei kleineren Flächen lässt sich die Verformung oft durch eine geeignete Ausrichtung auffangen.

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Buchtipp

Das Buch Additive Fertigung beschreibt Grundlagen und praxisorientierte Methoden für den Einsatz der additiven Fertigung in der Industrie. Das Buch richtet sich an Konstrukteure und Entwickler, um eine erfolgreiche Implementierung additiver Verfahren in ihren Unternehmen zu unterstützen.

Lesen Sie auch die Teile 1 bis 5 unserer Serie:

* Christoph Erbe, Team Lead Project Management, Materialise Manufacturing Deutschland

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