Material Jetting ist ein additives Fertigungsverfahren für den 3D-Druck, mit dem 3D-Komponenten schichtweise hergestellt werden. Material Jetting (MJ) ermöglicht die Herstellung von Komponenten mit hochpräziser Geometrie und glatten Oberflächen. Dieses fortschrittliche Fertigungsverfahren hat aufgrund seiner bemerkenswerten Eigenschaften die Aufmerksamkeit von Ingenieuren erregt. MJ wird mittlerweile in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Medizinindustrie, sowohl für Prototypen als auch für die Fertigung.
Inhalte
Was ist Material Jetting 3D-Druck?
Beim Material-Jetting-3D-Druckverfahren wird das Material mithilfe eines Tintenstrahlkopfes mit kontrollierter Bewegung auf eine konstruierte Plattform gespritzt, genau wie beim 2D-Druck. Dieses lichtempfindliche Material wird anschließend mit UV-Strahlung gehärtet, um ein präzises Bauteil mit einer typischen Toleranz von ± 0.3 mm zu erhalten. Zur Herstellung der Bauteile können zahlreiche Materialien verwendet werden, wie zum Beispiel Wachse, Polymere, Keramik oder sogar Metalle.
Wie funktioniert Material Jetting?
Material vorbereitung
Der erste Schritt im Material-Jetting-Prozess ist die Vorbereitung des Rohmaterials. Dabei wird das Photopolymerharz auf 30–60 °C erhitzt, um die Viskosität zu reduzieren. Dies gewährleistet einen optimalen Harzfluss beim Jetting.
Tröpfchenablagerung
Das Material wird dann in den Druckkopf geladen, der sich dann über die Bauplattform bewegt. Der Tintenstrahlkopf gibt Hunderte winziger Harztröpfchen an bestimmten Stellen frei, je nach Schnittgeometrie des Modells. Der Injektionsmechanismus ist wie folgt:
- Piezoelektrisches Strahlen wird auf nichtflüchtige Materialien angewendet.
Schichtaushärtung
Sobald der Tropfen die Plattform erreicht, erfolgt die endgültige Aushärtung der gebildeten Schicht entweder durch Erhitzen oder durch UV-Strahlung. Sobald die Tropfen auf der Schale landen und unter integrierten UV-LEDs sofort aushärten,.
Oberflächenglättung
Bei einigen wachsbasierten Systemen kann ein Fräser über die gedruckte Schicht geführt werden, um eine flache und ebene Oberfläche sicherzustellen, bevor die nächste Schicht aufgetragen wird.
Plattformbewegung
Wenn die Aushärtung der ersten Schicht abgeschlossen ist, bewegt sich die Plattenform um eine Schicht nach unten und macht so Platz für die nächste Schicht.
Schicht-für-Schicht-Druck
Nun werden die vorherigen Schritte wie das Aufspritzen des Materials und dessen Verfestigung wiederholt, bis das gesamte Bauteil gemäß einem 3D-Schnittmodell hergestellt ist.
Multimaterialdruck
Mehrere Druckköpfe können nebeneinander angeordnet werden, um verschiedene Materialien gleichzeitig aufzutragen. Dies ermöglicht den Druck mehrerer Materialien, Vollfarbe und Stützstrukturen in einem Durchgang.
Support-Entfernung
Die Stützstruktur wird im Material-Jetting-3D-Druckverfahren verwendet und besteht üblicherweise aus löslichem Material. Diese Stützstruktur wird in der Nachbearbeitung entweder durch Eintauchen in ein Ultraschallbad oder durch Druckwasser entfernt.
Materialstrahlmaschine
Die Materialstrahlmaschine kombiniert präzise Mikrodüsen, UV-Härtung und kontrollierte Temperatur, um flüssige Materialien Schicht für Schicht präzise aufzutragen und zu verfestigen.
Druckkopf mit Mikrodüsen
Das Material-Jetting-System besteht aus einem Druckkopf mit einer Reihe ultrafeiner Düsen. Diese Düsen stoßen kontrolliert winzige Tröpfchen des Materials auf die gebaute Plattform aus.
Materialbehälter
Der Materialbehälter dieses Systems wird auch als Kartusche bezeichnet. Es handelt sich um einen Behälter, der das flüssige Material enthält. Diese Behälter werden entweder manuell nachgefüllt oder sind versiegelte Kartuschen, um eine sichere Handhabung zu gewährleisten.
UV-Härtungssystem
Dies ist die UV-Strahlungsquelle in der Nähe des Druckkopfes. Sie liefert UV-Strahlung mit der erforderlichen Intensität, um das flüssige Material zu einer festen Schicht auszuhärten.
Beheizte Baukammer
Bei NJP, wo Keramik und Metall zum Strahlen verwendet werden, ist eine beheizte Kammer vorhanden. Diese Kammer dient dazu, die Temperatur für optimale Verdampfung und Koaleszenz aufrechtzuerhalten.
Arten des Material Jettings in der additiven Fertigung
PolyJet-Technologie
PolJet ist eine der gängigsten Methoden des additiven Fertigungsverfahrens. Dabei wird eine dünne Schicht Fotopolymer auf eine Bauplattform aufgetragen und mit UV-Strahlung ausgehärtet. Das System nutzt eine Vielzahl von Düsen, um das Material präzise und schnell auf der Baufläche aufzutragen. Es ermöglicht den gleichzeitigen Druck mehrerer Materialien und Farben, wodurch hochauflösende visuelle Prototypen und umspritzte Teile entstehen.
Eigenschaften
- PolyJet bietet eine sehr hohe Auflösung mit Schichtdicken von nur 14–16 Mikrometern.
- Es entstehen Teile mit raffinierter Oberfläche und feinen Details.
- Es unterstützt den Mehrmaterial- und Mehrfarbendruck in einem einzigen Build.
- Es ermöglicht die Herstellung dünner Wände und komplizierter Geometrien.
Nanopartikel-Jetting (NPJ)
NPJ ist ein Material-Jetting-3D-Druckverfahren, das Metall- oder Keramiksuspensionen zur Herstellung von Komponenten oder Modellen verwendet. Dabei werden die Materialien über eine versiegelte Kartusche dem Tintenstrahlkopf zugeführt. Anstelle von UV-Strahlung wird eine Heizquelle zum Verfestigen der Materialpartikelschicht verwendet. Die erhaltenen Komponenten werden anschließend zum endgültigen Teil gesintert.
Charakteristisch
- NPJ bietet aufgrund der geringen Größe der Nanopartikel eine außergewöhnliche Merkmalsauflösung und Oberflächenglätte.
- Die gedruckten Teile weisen eine hohe Materialdichte und Festigkeit auf.
- Durch die versiegelten Kartuschen und das Fehlen von losem Pulver ist der Vorgang relativ sauber und sicher.
Drop-on-Demand (DOD)
DOD funktioniert nicht durch die kontinuierliche Abscheidung von Fotopolymer, sondern tropfenweise bei Bedarf. Es arbeitet mit zwei Druckköpfen, einem für das Baumaterial und einem für das Trägermaterial. Es eignet sich für den Druck von Wachsmodellen und Feinguss.
Eigenschaften
- DOD bietet außergewöhnliche Genauigkeit und Oberflächengüte mit Schichtdicken von nur 6 Mikrometern und XY-Auflösungen von etwa 22 Mikrometern.
- Damit können äußerst glatte und präzise Wachsmodelle hergestellt werden, die sich ideal für das Wachsausschmelzverfahren eignen.
- Beim Material Jetting verwendete Materialien
Verwendetes Material im Material Jetting der additiven Fertigung
Im Gegensatz zu Pulverbettfusionsverfahren wie Direktes Metall-Lasersintern (DMLS), bei denen Metallpulver wie Edelstahl und Titan verwendet werden, werden beim Material Jetting Fotopolymere und Wachse verwendet. Dies begrenzt die Festigkeit, ermöglicht aber feine Details, Farbdruck und den Aufbau mehrerer Materialien.
Photopolymere
Photopolymere sind das am häufigsten verwendete Material für Material Jetting. Es handelt sich um flüssige Harze, die unter ultraviolettem Licht schnell aushärten. Sie können eine Vielzahl von Eigenschaften simulieren, von starren Kunststoffen über flexible gummiartige Materialien bis hin zu transparenten oder biokompatiblen Optionen.
Metalle und Keramik
Beim Nanopartikel-Jetting (NPJ) werden Metalle und Keramiken in Form von Nanopartikeln in einer Trägerflüssigkeit verwendet. Gängige Materialien sind Edelstahl, Titan, Zirkonoxid und Aluminiumoxid.
Wachse und Spezialharze
Drop-on-Demand-Systeme (DOD) verwenden hauptsächlich Wachsmaterialien zur Herstellung hochpräziser Gussmodelle. Diese Wachse schmelzen leicht und brennen sauber aus, was sie ideal für den Feinguss in der Schmuck- und Zahnmedizin macht.
Vorteile des Material Jetting
Druckauflösung und Genauigkeit
Das 3D-Drucken von Material Jetting ermöglicht eine hohe Auflösung von bis zu 13–16 Mikrometern (0.013–0.016 mm) und ermöglicht so eine präzise Modelldetaillierung. Darüber hinaus sind die mit MJ hergestellten Komponenten oder Modelle detailliert und maßhaltig.
Oberflächenfinish
Die durch MJ erhaltenen Komponenten haben ein poliertes Erscheinungsbild und sind daher ideal für visuelle und funktionale Prototypen.
Multimaterialdruck
Die Materialinjektionsverfahren unterstützen den gleichzeitigen Druck mit mehreren Materialien in einem Auftrag.
Dadurch können Materialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften gemischt werden, beispielsweise:
Starre und flexible Zonen in einem Teil.
- Transparente und undurchsichtige Kombinationen.
- Unterschiedliche Steifigkeitsgrade oder gummiartige Texturen.
Vollfarbdruck
MJ ist in der Lage, 3D-Farbmodelle für einen realistischen Ansatz zu erstellen. Dies macht das Modell nicht nur optisch ansprechend, sondern wird auch für das konzeptionelle Verständnis geschätzt.
Homogene Materialeigenschaften
Die mit Hilfe von MJ erhaltenen Komponenten oder Modelle weisen einheitliche thermische und mechanische Eigenschaften auf.
Geringer Materialabfall
Da beim DOD-Materialstrahlen Material nur bei Bedarf verwendet wird, entsteht dabei keine nennenswerte Materialleistung.
Hochgeschwindigkeitsdruck
Beim MJ-Verfahren kommen breite Druckköpfe zum Einsatz, wodurch eine schnellere Verarbeitung als bei herkömmlichen Methoden wie FDM möglich ist.
Nachteile des Material Jetting
Begrenzte Materialoptionen
- Material Jetting ist hauptsächlich auf Fotopolymere und Wachse beschränkt, was seine Verwendung auf einen engen Anwendungsbereich beschränkt.
- Metall und Hochleistungspolymere werden nicht unterstützt, weshalb MJ für technische Funktionsteile ungeeignet ist.
Schlechte mechanische Eigenschaften
- Gedruckte Teile sind im Allgemeinen spröde und weisen eine geringe Bruchdehnung auf, sodass sie für funktionale oder lasttragende Anwendungen ungeeignet sind.
- Lichtempfindliche Materialien zersetzen sich mit der Zeit, insbesondere unter UV-Bestrahlung, wodurch die langfristige Zuverlässigkeit der Teile abnimmt.
Hohe Kosten
- Die Materialkosten gehören beim 3D-Druck zu den höchsten und übersteigen oft 1000 US-Dollar pro kg.
- Die Anschaffung und der Betrieb von MJ-Maschinen sind teuer, was die Zugänglichkeit für kleinere Unternehmen oder Projekte mit geringem Budget einschränkt.
Trägermaterial und Nachbearbeitungsanforderungen
- MJ erfordert häufig Stützstrukturen, was den Materialverbrauch und die Druckzeit erhöht.
- Um Teile vollständig auszuhärten, ist häufig eine UV-Nachhärtung erforderlich, was den Arbeitsablauf komplexer macht.
Anwendungen von Material Jetting
Medizin und Gesundheitswesen
Aufgrund seiner hohen Präzision und Genauigkeit sowie Biokompatibilität wird es im medizinischen und Gesundheitswesen zur Herstellung anatomischer Modelle und medizinischer Geräte wie chirurgischer Instrumente verwendet.
Schmuck
Metal Jetting findet auch Anwendung bei der Herstellung von einheitlichen und komplexen Schmuckdesigns sowie beim Gießen. Beim Gießen druckt die DOD-Technologie scharfkantige, winzige Details, ideal für Luxus- und Kunststücke.
Engineering
Ingenieure nutzen diese Technologie, um komplexe mechanische Teile mit hoher Genauigkeit herzustellen.
Luft- und Raumfahrt und Automobil
In der Automobil- und Luftfahrtindustrie werden mit MJ leichte Vorrichtungen und Spezialwerkzeuge schneller hergestellt als mit herkömmlichen Verfahren. Darüber hinaus werden Armaturenbretter und Innenraumprototypen mit realistischen Texturen und Oberflächen gefertigt.