14. Juni 2024
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Detaillierter Vergleich mehrerer industrieller Polymer-3D-Drucktechnologien

Der heutige Markt für Polymer-3D-Druck wächst rasant. Relevanten Berichten zufolge stieg der Verbrauch von Polymerpulver im Jahr 2021 um 43,3 %, übertraf damit lichtempfindliches Harz und wurde zum am häufigsten verwendeten 3D-Druckmaterial. Infolgedessen ist der Wettbewerb unter den OEMs industrieller 3D-Drucker härter als je zuvor, wobei Technologien wie High-Speed-Sintering (HSS), Multi-Jet Fusion Jetting (MJF) und Selective Laser Sintering (SLS) produzierenden Unternehmen reichlich Gelegenheit dazu bieten s Wahl.

Die HSS-Technologie wurde ursprünglich Anfang der 2000er Jahre gleichzeitig von Neil Hopkinson von der Loughborough University und Sylvia Monsheimer von Evonik erfunden. Es handelt sich um ein pulverbasiertes 3D-Druckverfahren, das aufgrund seiner hohen Druckgeschwindigkeit und Größe dem Binder Jetting ähnelt. Bekannt für seine Teileproduktion Fähigkeiten. Seit der Lizenzierung der Technologie zur Kommerzialisierung im Jahr 2016 hat voxeljet eine eigene Version von HSS entwickelt und 2017 seinen ersten HSS-3D-Drucker auf den Markt gebracht. Seitdem hat das Unternehmen seine Produktpalette um mehrere HSS-betriebene 3D-Drucker erweitert, darunter den VX200 HSS und den VX1000HSS. Ebenso ist MJF auch eine Technologie unter dem Banner der Bindemittelinjektoren. HP bietet Polymerteile in technischer Qualität für das funktionale Prototyping und die Endproduktion mit Anwendungen in Branchen wie der Automobil- und Konsumgüterindustrie. Im Gegensatz zu HSS und MJF (Tintenstrahlverfahren) handelt es sich bei SLS um eine Form der Laser-Pulverbettschmelzung. Das Verfahren nutzt leistungsstarke Laserstrahlen und Scansysteme, um Teile in einem Bett aus Polymerpulver in 3D zu drucken. Da alle Verfahren ähnliche Eigenschaften und Oberflächenbeschaffenheiten aufweisen, ist es nicht ungewöhnlich, dass diese Polymerdrucktechnologien als Konkurrenten gelten. In dieser Übersicht werfen wir einen Blick auf die Besonderheiten dieser drei Technologien und sehen, wie sie sich unterscheiden.

Wie funktioniert HSS? Zunächst wird eine dünne Schicht Polymerpulver auf eine beheizte Bauplattform aufgetragen. Anschließend bewegt sich der Tintenstrahldruckkopf über die Plattform und sprüht infrarotreaktive Tinte auf ausgewählte Bereiche des Pulverbetts. Sobald das mit Tinte angereicherte Pulver Infrarotlicht ausgesetzt wird, absorbiert es Wärme, sintert und verschmilzt zu einer festen Schicht, sodass unbedruckte Bereiche als loses Pulver zurückbleiben. Anschließend wird die Bauplattform abgesenkt, neue Pulverschichten aufgetragen und der Vorgang wiederholt sich Schicht für Schicht, bis das 3D-Teil gedruckt ist.

MJF ähnelt HSS in vielerlei Hinsicht. Ähnlich wie beim HSS-Verfahren wird beim MJF eine strahlungsabsorbierende Flüssigkeit, auch Flussmittel genannt, in bestimmte Bereiche eines Polymerpulverbetts gesprüht. Die Grenzen anderer Bereiche, also der nicht zu bedruckenden Bereiche, werden mit einer Hilfsflüssigkeit namens Refiner gekühlt. Sobald das Sprühen abgeschlossen ist, wird mit einer Infrarotlampe die gesamte Baufläche bestrahlt, um die verklebten Bereiche zu verschmelzen. Mit Refiner besprühte Grenzen bleiben ungeschmolzen. Abgesehen von der schieren Größe des VX1000-Druckers von voxeljet besteht der Hauptunterschied zwischen den beiden Technologien in der Menge der verwendeten Flüssigkeit. HSS benötigt kein zweites Kühlmittel, da der 3D-Drucker von voxeljet die Temperatur von gebundenen und ungebundenen Pulvermaterialien unabhängig steuern kann. Dies erreichen sie durch die Verwendung von zwei unterschiedlichen Wellenlängen von Infrarotstrahlern, sodass keine Verfeinerer erforderlich sind, um eine präzise Kantendefinition zu erreichen.

Aufgrund seines Refiners hat MJF eine Auflösung von 1200 dpi, während HSS nur 360 dpi hat. Der entscheidende Faktor bei der Bestimmung der Teileauflösung ist jedoch immer noch die Partikelgröße des Pulvers. In diesem Fall bedeutet eine höhere Düsenauflösung also nicht unbedingt ein genaueres Teil. Da die HSS-Tröpfchen tatsächlich etwas größer sind als einzelne Polymerkörner (typischerweise etwa 55 Mikrometer breit), können sie die Schnittpunkte zwischen den Körnern vollständig abdecken, was für das Sintern entscheidend ist.

Betrachtet man einige wichtige technische Spezifikationen, so verfügt das MJF-System über ein maximales Bauvolumen von 380 x 294 x 380 mm, während das voxeljet VX1000 HSS über 1000 x 540 x 180 mm (für den PA12) verfügt. Auch in puncto Druckgeschwindigkeit hat der VX1000 HSS mit einer Geschwindigkeit von 7300 cm3/h seine eigenen Vorteile. Andererseits hat der produktivste MJF-3D-Drucker eine Druckgeschwindigkeit von 5058 cm3/h. Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Verfahren ist der Open-Source-Ansatz von HSS für den 3D-Druck. Voxeljet-Kunden haben freien Zugriff auf alle Prozessparameter ihrer Maschinen und können ihre Konstruktionen ohne Barrieren an ihre eigenen Materialien anpassen. Dies kann zu erheblichen Kosteneinsparungen führen, da Benutzer ihre eigenen Pulverpreise direkt mit Materiallieferanten aushandeln. Die Liste der kompatiblen Polymere ist lang, darunter PA12, TPU und PP, die entweder im Handel erhältlich sind oder bald verfügbar sein werden. Zu den erfolgreichen Proof-of-Concepts zählen außerdem PA613, PEBA und EVA. Im Vergleich dazu ist der MJF 3D-Drucker in der Lage, PA12, PA11 und PP zu verarbeiten. Beide Technologien ermöglichen die Wiederverwertung und Wiederaufbereitung des unbedruckten Pulvermaterials.

Der Vollständigkeit halber erwähnen wir in diesem Vergleich auch den SLS-3D-Druck. So funktioniert ein SLS-3D-Drucker: Der Laser scannt zunächst einen 2D-Querschnitt der ersten Schicht des Teils auf ein Pulverbett, das das Pulver nicht gerade schmilzt, sondern aufbricht, sodass es zu einer festen Schicht verschmilzt . Sobald die erste Schicht fertig ist, bewegt sich die Bauplattform nach unten und veranlasst den Wiederbeschichter, eine dünne, gleichmäßige Materialschicht über das vorhandene Pulverbett zu verteilen. Dieser Zyklus aus Drucken und Neulackieren wird wiederholt, bis der gesamte Bau abgeschlossen ist. Die größten SLS-Systeme können Teile innerhalb eines Meterbereichs drucken, mit einer Z-Höhen-Druckgeschwindigkeit von etwa 48 mm/Stunde (abhängig von der Kartonauslastung). Das Pulverbettfusions-Ökosystem ist eines der fortschrittlichsten Systeme in der 3D-Druckindustrie, was bedeutet, dass die heutigen SLS-Systeme in Industriequalität mit allen Formen von Polymerpulvern kompatibel sind. Dazu gehören PA6, PA11, PA12, TPU, PP, PAEK, PEEK und mehr.

Um die mechanischen Eigenschaften jeder 3D-Drucktechnologie zu bewerten, haben wir uns einige Zugtestdaten angesehen, die uns von verschiedenen Lieferanten zur Verfügung gestellt wurden. Die Daten umfassen insgesamt 15 zuggetestete Hundeknochenproben pro Technologie (5 entlang der X-Achse gedruckt, 5 entlang der Y-Achse gedruckt und 5 entlang der Z-Achse gedruckt), jeweils 3D-gedruckt mit PA12 und getestet gemäß ISO 527-Standard. Um festzustellen, welche Polymerdrucktechnologie die stärksten Teile produziert, betrachten wir zunächst die durchschnittliche Zugfestigkeit (UTS). Dies ist die maximale Zugspannung, der ein Bauteil standhalten kann, bevor es bricht. In dieser Wettbewerbsrunde war die durchschnittliche Festigkeit der mit SLS gedruckten Proben am höchsten (45,17 MPa), gefolgt von MJF (43,10 MPa) und dann HSS (40,60 MPa). Die maximalen Bruchlasten dieser drei Technologien betragen 1885,01 N, 1782,7 N bzw. 1659,1 N.

Interessanterweise beträgt im offiziellen PA12-Datenblatt von voxeljet der UTS-Wert für XY 52 (+/-1) MPa und der UTS-Wert für Z 46 (+/-2) MPa. Der Grund für diesen Unterschied liegt darin, dass sich die Angaben im Materialdatenblatt auf den Druck von Prozessparametern beziehen, die auf mechanische Daten optimiert sind. Im Gegensatz dazu wurden die für diese Studie gedruckten Hundeknochen mit Parametern gedruckt, die auf Präzision und Detailgenauigkeit optimiert waren. Dadurch haben Kunden die Möglichkeit, Teile mit Spezifikationen zu drucken, die für ihre eigenen Anwendungen optimiert sind, im Einklang mit der Open-Source-Strategie von voxeljet.

Als nächstes folgt der Elastizitätsmodul, der ein Maß für die Zugsteifigkeit ist. Ein höherer Elastizitätsmodul bedeutet, dass das Teil steifer ist und sich unter elastischer Belastung nur geringfügig verformt, während ein niedrigerer Elastizitätsmodul bedeutet, dass das Teil unter Belastung elastischer und flexibler ist. Diesmal erzeugte HSS die steifste Komponente (1,82 GPa), gefolgt von SLS (1,73 GPa) und MJF (1,43 GPa).

Schließlich haben wir die Bruchdehnung, die ein Maß für die Duktilität ist. Diese Messung gibt an, wie viel ein Teil gedehnt werden kann, bevor es bricht, als Prozentsatz seiner ursprünglichen Länge. Interessanterweise weisen die mit SLS gedruckten Teile in der XY-Ebene die beste Duktilität auf (17,53 %), gefolgt von MJF (16,87 %) und HSS (8,88 %). In der Z-Ebene produzierte MJF jedoch die duktilsten Teile (14,40 %), gefolgt von SLS (9,32 %) und HSS (6,36 %).

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