Design Tip

Nutzung von Multi Jet Fusion für funktionsfähige 3D-Druckteile

Fertigung langlebiger Prototypen und Endanwendungsteile mit der 3D-Druck-Technologie von HP

Der Technologieriese HP hat mit Multi Jet Fusion (MJF), ein industrielles 3D-Druckverfahren entwickelt, mit dem sich schnell und präzise funktionsfähige Prototypen und Teile für den Endgebrauch in verschiedenen Anwendungen herstellen lassen. Protolabs diente aufgrund seiner Erfahrung im industriellen 3D-Druck als einer der Teststandorte für dieses 3D-Druckverfahren und hat kürzlich auch HP Jet Fusion 3D 4200 Drucker in seinen Maschinenpark aufgenommen. Hier einige Punkte, die beim Teildesign für MJF zu beachten sind.

Ähnlichkeiten zu SLS

Wer mit den Designgrundsätzen für das Selektive Lasersintern (SLS) vertraut ist, wird auch das Entwerfen für MJF meistern. Beides sind 3D-Druckverfahren mit Pulverbett und Wärmekammern, die ganz für die Teilefertigung genutzt werden können - im Gegensatz zu anderen 3D-Druckverfahren sind keine Stützstrukturen nötig. 

Mit MJF lassen sich feine Merkmaldetails und nahezu isotrope Materialeigenschaften erzielen. Damit eignet sich das Verfahren für komplexe Kleinserienteile wie Halterungen und Clips, mechanische Baugruppen, Komponentengehäuse und stabile, aber präzise Vorrichtungen.

Wie sich MJF von SLS unterscheidet
  • Auflösung: Die Schichtdicke bei MJF beträgt 80 µm. Eine minimale Merkmalsgröße von 0,5 mm ist realisierbar. Diese ist feiner als die mit SLS erzielbaren 0,75 mm. Jedoch ist die Genauigkeit etwas geringer als für SLS Teile : Die Toleranz für MJF beträgt +/-0,25mm +/-0,002mm/mm. SLS hat eine Toleranz von  +/-0,20mm +/-0,002mm/mm. Bei den Toleranzen spielen auch Teilegröße und -geometrie eine Rolle, worauf beim Design von Teilen mit engem Spiel wie Gehäusen oder Passteilen besonders zu achten ist.
  • Größe des Teils: Mit 284 mm x 380 mm x 380 mm ist der maximale Bauraum bei MJF etwas kleiner als bei SLS, wo er 676 mm x 367 mm x 564 mm beträgt. Das bedeutet, dass die Abmessungen von MJF-Teilen maximal 264 mm x 343 mm x 348 betragen können, was jedoch für viele 3D-Druckteile durchaus genügt. 
  • Werkstoffe: Da mit MJF gegenwärtig nur ungefülltes Nylon 12 (PA12) verarbeitet werden kann, bietet SLS in puncto Werkstoffauswahl und Farben (derzeit) geringfügige Vorteile.  Doch verfügt Nylon 12 über eine Bandbreite an mechanischen bzw. thermischen Eigenschaften, wie sie bei funktionsfähigen Prototypen und Endanwendungsteilen oft benötigt werden. Wo es auf Ästhetik ankommt, empfehlen wir, die ursprünglich steingrauen MJF-Teile schwarz zu färben (Protolabs erledigt dies intern). Außerdem empfehlen wir leichtes Perlstrahlen mit MJF oder SLS gefertigter Teile.
Arbeiter an einem HP Multi Jet Fusion 3D Drucker
Elemente des 3D-Drucks mit Multi Jet Fusion (von links nach rechts): Nylonschicht (1), Pulverbett (2), Werkstoff-Auftrageeinheit (3) Druckerschlitten (4), Düsen-Array (5), Fusing Agent und Detailing Agent (6), Wärmequelle (7), Teil (8). Auf einen Blick: MJF und SLS
How MJF is Different
  • Auflösung: MJF druckt in 80 Mikron dicken Schichten und erzielt eine Mindestmerkmalgröße von 0,5 mm. Diese ist feiner als die mit SLS erzielbaren 0,75 mm, doch sind Teiledetails dieser Größenordnung bei MJF etwas variabler: Die zu erwartenden Toleranzen betragen +/-0,10 mm über dem ersten Zoll gegenüber +/-0,025 mm bei SLS. Bei den Toleranzen spielen auch Teilegröße und -geometrie eine Rolle, worauf beim Design von Teilen mit engem Spiel wie Gehäusen oder Passteilen besonders zu achten ist.
  • Größe des Teils: Mit 284 mm x 380 mm x 380 mm ist der maximale Bauraum bei MJF etwas kleiner als bei SLS, wo er 482 mm x 482 mm x 431 mm beträgt. Das bedeutet, dass die Abmessungen von MJF-Teilen maximal 343 mm x 264 mm x 348 betragen können, was jedoch für viele 3D-Druckteile durchaus genügt.
  • Werkstoffe: Da mit MJF gegenwärtig nur ungefülltes Nylon 12 (PA12) verarbeitet werden kann, bietet SLS in puncto Werkstoffauswahl und Farben (derzeit) geringfügige Vorteile.  Doch verfügt Nylon 12 über eine Bandbreite an mechanischen bzw. thermischen Eigenschaften, wie sie bei funktionsfähigen Prototypen und Endanwendungsteilen oft benötigt werden. Wo es auf Ästhetik ankommt, empfehlen wir, die ursprünglich steingrauen MJF-Teile schwarz zu färben (Protolabs erledigt dies intern). Außerdem empfehlen wir leichtes Perlstrahlen mit MJF oder SLS gefertigter Teile.

Auf einen Blick: MJF vs. SLS

Multi Jet Fusion Selektives Lasersintern
Feinere minimale Merkmalsgröße  Höhere Präzision bei kleineren Merkmalen (kleine Toleranzen)

Gleichmäßige Farbe durch Schwarzfärbung

Gleichmäßigere Oberflächenfarbe auch ohne Nachbearbeitung
Neues Verfahren mit schnellerer Bauzeit Etablierter Prozess mit längerer Bauzeit
Im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren, sind die mechanischen Eigenschaften in der Z-Aufbaurichtung, nahezu isotrop. Breitere Auswahl an Materialien, einschließlich gefüllter und Spezialwerkstoffe
Verbesserte Oberflächenrauheit Größerer verfügbarer Bauraum

 


3D printed designs inside multi jet fusion printer
Bei der Multi Jet Fusion werden wärmeleitende und hemmende Mittel selektiv in ein Nylon-Pulverbett eingebracht. Mithilfe von Heizlampen erfolgt Schicht für Schicht eine Verschmelzung zu festen, funktionsfähigen Komponenten.
Festere Teile, schnellerer Prozess

Es ist auch wichtig, Bereiche zu berücksichtigen, in denen sich MJF besonders auszeichnet. Zunächst weisen MJF-Teile eine hohe Zugfestigkeit auf (maximale Belastung: X, Y und Z 48 MPa), die im oberen Bereich des mit SLS Möglichen liegt. Und vor allem liefert MJF gleichmäßigere mechanische Eigenschaften in jeder Richtung der Teilegeometrie (Isotropie) als andere pulverbasierte 3D-Druckverfahren. Dies ist besonders bei facettenreichen, komplexen Designs wünschenswert. Zwar ist die Präzision kleiner Teilemerkmale bei MJF etwas geringer als bei SLS, dafür sind die Merkmale stabiler.


MJF ist auch viel schneller als konkurrierende Verfahren. Bei MJF werden die Details nicht einzeln in die Werkstoffschicht gezeichnet, sondern die gesamte Fläche wird in einem Durchgang mit gleichmäßiger Geschwindigkeit abgefahren, unabhängig davon, wie viele Teile sich in der Schicht befinden. Das ist vergleichbar mit dem Seitendruckverfahren von Laserdruckern. Je nach Teil ist die Druckgeschwindigkeit damit mehrmals so hoch wie bei Konkurrenztechnologien, selbst bei größeren Stückzahlen. Um herauszufinden, was das für Ihr Projekt bedeutet, laden Sie einfach die CAD-Datei hoch, und vergleichen Sie die im Angebot genannte Lieferzeit und den Preis mit den anderen 3D-Druck- und Maschinenbearbeitungsservices von Protolabs.

black multi jet fusion 3D printed parts
Mit Multi Jet Fusion 3D-gedruckte Teile werden aus dem naturgrauen Werkstoff Nylon 12 gefertigt, jedoch werden alle Teile für eine verbesserte Optik schwarz gefärbt.
Überlegungen zu den Designelementen

Viele der Designgrundsätze, die für SLS- und Spritzgussteile gelten, sind für MJF ebenfalls relevant:

  • Dünne Wände oder große, ebene Oberflächen müssen durch Rippen oder Versteifungen verstärkt werden und Löcher sollten nach Möglichkeit von Wülsten umgeben sein
  • Erhabene Beschriftung und kosmetische Teilemerkmale, die kleiner als 0,5 mm, halten einer zweiten Nachbearbeitung unter Umständen nicht stand. Prüfen Sie die im Angebot über Ihr Teil enthaltende Machbarkeitsanalyse. 
  • Eine Wanddicke zwischen 2,5 - 3,8 mm ist ideal. Größere Abweichungen davon könnten die Toleranzwerte beeinträchtigen. 
  • MJF eignet sich sehr gut für Baugruppen, aktive Scharniergelenke, Schnappverbindungen und Stiftscharniere. 
  • Wie bei allen 3D-Druckverfahren entsteht auch bei MJF auf Schrägen ein gewisser Treppeneffekt. Oberflächen, bei denen die Ästhetik wichtig ist, müssen auf der Zeichnung oder in den Informationen zur Fertigung (PMI) deutlich markiert bzw. digital gekennzeichnet werden, damit Protolabs die Teile in der Prozesskammer entsprechend ausrichten kann. 
  • Protolabs kann Gewindeeinsätze und beigestellte Metallbuchsen in MJF-Teile einbringen. 

Wie zu Beginn dieses Design-Tipps erwähnt, gibt es viele Ähnlichkeiten zwischen MJF und anderen 3D-Druckverfahren. Dabei zeichnet sich MJF durch voraussagbare Teilequalität aus und profitiert von bekannten Designregeln. Der Unterschied besteht in der einzigartigen Fähigkeit, präzise Teile mit isotropen mechanischen Eigenschaften zu fertigen, und zwar oft schneller als mit anderen 3D-Druckverfahren. Zusammen haben diese Attribute das Potenzial, MJF zur 3D-Drucktechnologie der Zukunft zu machen.

 Aktuell wird durch MJF nur ein ungefülltes PA12 verarbeitet. Protolabs und HP befinden sich jedoch in engem Kontakt und die Erweiterung des Materialportfolio wird regelmäßig geprüft. Überlegen Sie am besten jetzt, welche Rolle MJF bei Ihren aktuellen und künftigen Projekten spielen kann.
Unsere Customerservice stehen Ihnen bei Rückfragen unter der Rufnummer +49 (0) 89 90500 222 oder per E-Mail an customerservice@protolabs.de zur Verfügung.