Material Jetting: Wir erklären Ihnen das 3D-Druckverfahren

Die Entwicklungen im Bereich der additiven Fertigung schreiten mit hohem Tempo voran, jedoch gibt es viele verschiedene 3D-Drucktechnologien deren genaue Funktionsweise noch nicht für jeden klar ist. Nach unseren Artikeln über die Schmelzschichtung (FDM) und das Laserschmelzen (DMLS), stellen wir Ihnen heute den 3D-Druck durch das Material Jetting Verfahren vor, eine Methode, die es ermöglicht dreidimensionale Objekte zu drucken, die verschiedene Materialien und Farben kombinieren. Wie ist das möglich?

Der 3D-Druck durch Material Jetting, wurde 1999 durch das Unternehmen Objet Ltd., welches seit 2012 zu Stratasys gehört, unter dem Namen PolyJet, bzw. Photopolymer Jetting patentiert, und vereint die Inkjet-Technologie und den Einsatz von Photopolymeren. Die Inkjet-Technologie wird von regulären 2D-Druckern auf Papier verwendet, wodurch Material Jetting die Technologie ist, die dem traditionellen Drucken am ähnlichsten ist. Photopolymere sind Materialien, die sich verhärten, wenn sie in Kontakt mit UV-Licht kommen.

Wie funktioniert Material Jetting?

Wie jede 3D-Drucktechnologie beginnt auch dieser Prozess mit der digitalen Erstellung des gewünschten 3D-Objektes mit Hilfe eines CAD-Programmes. Anschließend erfolgt die Weiterleitung  an den Slicer, der das Modell dann in eine Vielzahl von Schichten „schneidet“, wovon jedes einzelne einer hauchdünnen horizontalen Ebene des 3D-Objektes entspricht. Diese 3D-Datei wird dann an den Drucker gesendet.

Als erstes wird das flüssige Harz auf 30 – 60ºC erhitzt, wodurch es die richtige Viskosität zum Drucken erhält. Der Druckkopf, der dem eines Inkjet Druckers sehr ähnlich ist, gibt dann hunderte kleine Tröpfchen des lichtsentitiven Photopolymerharzes ab – das Material wird auf die Plattform „gejettet“.  Das Harz wird dann durch ein in den Druckkopf integriertes UV-Licht ausgehärtet und so entsteht die erste Schicht. Diese Technologie basiert also genau wie das SLA Verfahren auf dem Prinzip der Photopolymerisation. Der Multimaterial und der Vollfarbdruck sind möglich, weil der Träger des Druckkopfes über viele kleine Druckköpfe verfügt die die verschiedenen Materialien, sowie das lösliche Supportmaterial gleichzeitig auf die Plattform „jetten“ können.

Funktionsweise eines Material Jetting 3D-Druckers. Bildnachweis: 3D HUBS

Vor- und Nachteile der Material-Jetting-Technologie

Der größte Vorteil der Material Jetting Technologie ist die Möglichkeit zum Multimaterialdruck und in Vollfarbe drucken zu können. Durch den Einsatz der Tintenstrahl-Druckköpfe ist es also möglich, mehrere Materialien und auch Farben gleichzeitig zu verarbeiten, indem jedes Material in einem separaten Druckkopf gespeichert wird. Das so entstandene Verbundmaterial wird auch Digital Material genannt und eignet sich ideal zum Prototypenbau, mit Bauteilen, die dem zukünftigen Originalobjekt sehr nahe kommen. So können detailgetreue Prototypen mit hoher Auflösung verhältnismäßig günstig und mit geringem Zeitaufwand erstellt werden.

Nachteile der Technologie sind das unter anderem das  beschränkte Bauvolumen, großformatige Teile können (noch) nicht hergestellt werden. Außerdem benötigen die Drucke, wie bei den meisten anderen Technologien auch, Supportstrukturen und Nachbearbeitungsverfahren. In der Nachbearbeitung müssen die Supportstrukturen und Harzreste wie beim SLA-Verfahren durch eine Lösung entfernt werden und danach muss das Teil in einer UV-Kammer vollständig ausgehärtet werden. Wie alle Teile, die aus Photopolymeren bestehen, sind auch Material Jetting Teile lichtempfindlich, wodurch sich die Materialeigenschaften mit der Zeit verändert können.

Akteure und Anwendungen

Wie schon erwähnt, ist wichtigste Anwendungsbereich für für Material Jetting ist die Herstellung von detailtreuen, funktionalen Prototypen. So kann man visuelle Modelle, die den zukünftigen Produkten dank Rapid Prototyping äußerst nahe kommen, sehen, anfassen und fühlen. Ein weiterer sehr interessanter Anwendungsbereich findet sich in der Medizin: Dank Multimaterialdruck durch Material Jetting können anatomische Modelle  (siehe Beitragsbild) maßstabsgetreu in verschiednen Farben dargestellt werden. So können Ärzte und Angehörige der Patienten die Krankheit besser verstehen und Operationen zuvor „geübt“ werden. Natürlich findet Material Jetting auch in künstlerischen Bereichen, wie beispielsweise der Schmuckherstellung, Anwendung. Durch die Möglichkeit auch mit Wachs drucken zu können, können Material Jetting Teile für die Herstellung von beispielsweise Schmuck o.Ä. im Wachsausschmelzverfahren (lost-wax) verwendet werden.

Wie schon zu Beginn erwähnt, ist Stratasys der Pionier dieser Technologie und vertreibt verschiedenen Maschinen, die die Material Jetting (Eigenname Statasys: PolyJet) Technologie verwenden. Am wichtigsten zu nennen sind hier der J750 und der J350. Sie sind beide Pantone validiert und können Prototypen in über 500.000 verschiedenen Farben, Texturen, Verläufen, Transparenzen und Materialhärten drucken. Auch 3D Systems bietet eine Reihe von 3D-Druckern für Material Jetting (Eigenname 3D Systems: Multijet) an, wie den ProJet MJP 5600. Die Farbvielfalt ist hier nicht ganz so groß wie bei Stratasys, jedoch können Rapid Prototyping-Projekte auch hier mit verschiedenen elastischen oder harten Werkstoffen gedruckt werden.

Ein weiteres Unternehmen, das das Grundprinzip der Material Jetting Technologie verwendet, ist das israelische Unternehmen Xjet. Mit ihrer speziellen Nanoparticle Jetting Technologie drucken sie jedoch nicht mit Kunststofftröpfchen, sondern mit Tröpfchen einer Flüssigkeit, in der sich Nanopartikel aus Keramik oder Metallen befinden.

Die Nano Particle Jetting Technologie von Xjet. Bildnachweis: Xjet.

*Beitragsbild: Ein medizinisches Modell, gedruckt mit dem J750 von Stratasys. Bildnachweis: SYS Systems.

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