Die additive Fertigung ist eine große und ständig wachsende Industrie, die in den frühen 1980er Jahren gegründet wurde. Seitdem hat sich diese Technologie zu etwa fünf verschiedenen Arten des 3D-Drucks entwickelt, wobei einige Methoden sehr ähnlich sind. In diesem Artikel werden zwei der populärsten 3D-Druckverfahren verglichen: Fused Deposition Modeling und Multi Jet Fusion. Fused Deposition Modeling (FDM) ist eines der ältesten und am weitesten verbreiteten 3D-Druckverfahren, da die Drucker sehr leicht zugänglich und in verschiedenen Größen erhältlich sind. Die Multi Jet Fusion (MJF)-Technologie ist eine der jüngsten technologischen Entwicklungen in dieser Branche. Sie wurde 2016 von HP in der additiven Fertigung eingeführt, zielt auf die Nutzung im industriellen Maßstab ab und ist in mehreren Versionen auf dem Markt erhältlich.
Kosten
Eine der wichtigsten Kontroversen rund um die MJF-Technologie sind die Maschinenkosten und die für die Bauwerke verwendeten Materialien. Um die MJF-Drucker der Serie 4200 zu betreiben, kostet die Anschaffung aller notwendigen Komponenten etwa 500.000€, ohne das Pulver oder die Druckmittel. Die Anschaffung eines FDM-Druckers in industrieller Größe kann ca. 50.000€ + pro Drucker kosten, nicht eingerechnet die Materialkosten, die je nach verwendetem Material zwischen 10 und 500€ + pro Kilogramm liegen können. Das ist ein signifikanter Preisunterschied zu den 45€ pro Kilogramm für das beim MJF-Druck verwendete Pulver. Es ist auch wichtig zu erwähnen, dass die jährlichen Kosten für Wartung und Fehlerbehebung für die Drucker bei FDM-Druckern bei etwa 850€ pro Gerät und bei MJF-Druckern bei etwa 40.000€ pro Gerät liegen. Das ist ein enormer Unterschied, aber die Betreiber von FDM-Druckfarmen oder diejenigen, die Druckservices zur Vermietung anbieten, haben oft mehr als einen Drucker. Beim Betrieb eines MJF-Druckers besteht die Möglichkeit, die Baueinheit des Drucks so zu packen, dass mehr als ein Objekt gleichzeitig gedruckt werden kann. Dies ist ein Vorteil, den MJF gegenüber FDM hat. Wenn mehr als ein Teil auf einmal mit FDM gedruckt werden soll, wird mehr als ein Drucker benötigt. Obwohl der Betrieb eines MJF-Druckers teuer sein kann, bieten viele Unternehmen eine Auftragsfertigung an. Mit dieser Option kann MJF die niedrigsten Endkosten für ein Teil von allen 3D-Drucktechnologien bieten. Ein Teil dieser Kosten ist darauf zurückzuführen, dass jedes MJF-Teil weniger nachbearbeitet werden muss als FDM-Teile, bei denen die Stützen in der Nachbearbeitung entfernt werden müssen.
Bauvolumen und Druckzeit
Eines der wichtigsten Verkaufsargumente für eine additive Fertigungstechnik ist die Skalierbarkeit. Der FDM-Druck kann in Abhängigkeit von der Anzahl der für Aufträge verfügbaren Drucker einigermaßen skalierbar sein, während die MJF-Technologie auf Hunderte oder Tausende von Teilen pro Auftrag skalierbar ist. Der Grund dafür ist, dass die MJF-Technologie aufgrund ihrer Build-Packaging-Techniken eine wirtschaftlichere Nutzung der Baufläche für größere Volumenaufträge bietet. Einer der größten Vorteile von MJF ist, dass es bis zu 10x schneller ist als andere additive Fertigungsverfahren. Der MJF-Druck ist eine echte Massenfertigung ohne viel manuelle Arbeit. Außerdem ist die Druckzeit bei MJF bauteilspezifisch, während die Druckzeit bei FDM bauteilspezifisch ist. Während beide Prozesse nicht überwacht werden müssen, kann es bei kleineren Drucken auf FDM notwendig sein, den Druckvorgang zu überwachen, um einen weiteren Druck zu initiieren.
Eigenschaften und Designkomplexität
Die Materialeigenschaften und die Festigkeit sind in der Regel sowohl bei MJF- als auch bei FDM-Verfahren vergleichbar. Beim MJF-Druckverfahren besteht jedoch tendenziell eine größere Designflexibilität, wodurch komplexere Strukturen gedruckt werden können. Dies ist auf die nur Bruchteile eines Millimeters dicken Schichten und das Fehlen von Stützen im Aufbau zurückzuführen, da sie beim Druck vom umgebenden Pulver unterstützt werden. Der einzige Vorteil, den der FDM-Druck in Bezug auf die Designmöglichkeiten hat, ist, dass MJF-Drucke aufgrund des Schichtungsprozesses mit dem Pulver typischerweise nicht hohl sind. MJF übertrifft jedoch FDM-Drucke durch ihre Steifigkeit, die Fähigkeit, unformbare Formen zu drucken, ausgewogene mechanische Eigenschaften über alle Achsen, optimierte Dichte für luft- und wasserdichte Teile und höhere Qualität und Haltbarkeit direkt nach dem Druck. Mit beiden Drucktechniken können jedoch Iterationen erstellt und schnell produziert werden, um den Rapid-Prototyping-Prozess zu unterstützen.
Isotropie und Festigkeit
Isotropie spielt bei der additiven Fertigung eine große Rolle, da sie mit der Festigkeit eines 3D-Druckteils korreliert. Wenn ein gedrucktes Teil nicht perfekt isotrop ist, kann die strukturelle Integrität beeinträchtigt werden. Während die meisten im 3D-Druck verwendeten Rohmaterialien vor ihrer Verwendung isotrop sind, können Faktoren des Druckprozesses die Zusammensetzung und Eigenschaften des Materials verändern. Dies ist der Fall bei Thermoplasten, die im FDM-Druckverfahren verwendet werden. Durch die Hitze und Dehnung während des Extrusionsprozesses werden die Fasern neu ausgerichtet, wodurch der Druck anisotrop wird. Da die Schichten beim MJF-Druck nur etwa 0,003 Zoll dick sind, erzeugt diese Methode konsistentere isotrope Drucke in jeder Richtung der Druckgeometrie. FDM-Drucke werden aufgrund der schichtweisen Extrusion ebenfalls als mikroporöse Strukturen betrachtet. Die Schichten können in der Richtung variieren, und der Zusammenhalt des Materials tritt nicht immer auf.
Materialien
Es ist unbestritten, dass der FDM-Druck eine umfangreichere Materialbibliothek bietet als MJF. MJF hat derzeit nur sieben Materialien, nämlich Polyamid 11 (PA11), Polyamid 12 (PA12), Polyamid 12 Glasperlen (PA12GB), Color Boost Polyamid 12 (CBPA12), Thermoplastisches Polyurethan (TPU), Thermoplastisches Polyamid mit Elastomeren (TPA) und Polypropylen (PPL). Obwohl es nur eine begrenzte Anzahl von Materialien gibt, werden sie mit den gleichen Einstellungen des MJF-Druckers und mit der gleichen Geschwindigkeit gedruckt. Die einzigen geänderten Einstellungen beziehen sich auf die Größe des Aufbaus und die Verwendung von CBPA12. Bei den verschiedenen Materialien, die bei FDM verwendet werden, müssen die Kalibrierungen und Einstellungen je nach den Eigenschaften des Materials oft geändert werden. Es gibt sogar einige Materialien, die einen speziellen FDM-Drucker erfordern. Eine Sache, die immer wieder als negativ gegenüber dem MJF-Druck erwähnt wird, ist der "Mangel an Farboptionen". Bei der 4200er Serie der HP MJF-Drucker sind Farboptionen während des Druckvorgangs nicht verfügbar. Bei der HP MJF 580 Serie ist eine Farbgebung während des Drucks jedoch nur mit CBPA12 möglich und ist aufgrund des Drucks auf Voxel-Ebene sehr genau. Es werden auch Nachbearbeitungsoptionen angeboten, einschließlich Mal-, Färbe-, Textur- und Finish-Optionen.
Wartung
Die Wartung ist sowohl bei MJF als auch bei FDM ein erheblicher Teil der Kosten für die Maschine. Die meisten Leute berücksichtigen jedoch nicht den Zeitaufwand für die Wartung und Instandhaltung, um die Drucker am Laufen zu halten. Es wird geschätzt, dass für MJF-Drucker etwa 480 Stunden pro Jahr (40 Stunden monatlich) für die tägliche und wöchentliche Wartung aufgewendet werden. Dies beinhaltet die Reinigung, Reparatur und Einrichtung des Druckers. Für FDM-Drucker werden schätzungsweise etwa 40 Stunden pro Jahr für die Reinigung, Reparatur und Einrichtung des Druckers aufgewendet. Diese Zeitaufwände gelten für jeden Drucker, den das Unternehmen besitzt. Daher kann ein FDM-Betrieb während der Betriebs- und Ausfallzeiten genauso viel Zeit und Geld erfordern wie ein Unternehmen mit einem HP MJF-Drucker. Die teilespezifische Zertifizierung zur Genehmigung durch die FDA ist für ein Unternehmen mit mehreren Druckern ebenfalls aufwändiger, da die Konsistenz der Drucke getestet wird, indem von jedem Gerät ein Druck angefordert wird.
Druckfehler
Natürlich sind beim 3D-Druck und bei der Technologie im Allgemeinen Fehler zu erwarten und lassen sich nicht ganz vermeiden. Sowohl bei FDM als auch bei MJF treten während des Druckvorgangs gelegentlich Fehler auf. Bei FDM sind Kalibrierungsfehler, Fehler der Heizplattform sowie Form- und Schichtverschiebungen die häufigsten. Bei MJF sind "Elefantenhaut" aufgrund ungleichmäßiger Kühlung, verstopfte Druckköpfe und allgemeine mechanische Fehler wie Lager und Zahnräder, die das Ende ihres Lebenszyklus in den Baueinheiten erreichen, die häufigsten Probleme. Wenn es um Fehler geht, wäre es jedoch falsch zu behaupten, dass die eine Methode besser ist als die andere, denn letztendlich haben beide Fehler, die früher oder später aufgrund von Fehlfunktionen in der Software oder Abnutzung der Geräte auftreten müssen. Es sollte jedoch erwähnt werden, dass MJF-Drucke zuverlässiger und konsistenter sind, da sie vor äußeren Faktoren geschützt sind, die die Druckqualität von FDM-Builds beeinflussen können. Dazu gehören Faktoren wie Verschiebungen während des Drucks, wackelnde Böden und die Bewegung des Druckkopfs.
Auswirkungen auf die Umwelt
Wenn es darum geht, eine nachhaltige Methode des 3D-Drucks zu sein, hat MJF die geringsten Auswirkungen auf die Umwelt. Etwa 80 bis 85 % des im MJF-Druckprozess verwendeten Materials ist recycelbar. Von allen 3D-Druckverfahren hat FDM die größte Auswirkung auf die Umwelt, da mehr als 20 bis 30 % des insgesamt verwendeten Materials Abfälle aus fehlgeschlagenen Drucken und dem entfernten Trägermaterial sind. MJF verschwendet etwas Material bei fehlgeschlagenen Drucken. Allerdings wird im Idealfall nur die Menge an Material verwendet, die für den Druck notwendig ist, da während des Druckvorgangs keine Stützen eingefügt werden müssen. Es kann argumentiert werden, dass Abfälle aus dem FDM-Druck recycelt werden können, indem das Material zurückgemahlen, geschmolzen und zu neuem Filament extrudiert wird. Dies ist möglich, aber die für diesen Prozess verwendete Ausrüstung ist teuer. Solange nicht eine große Menge an Abfall auf einmal in neues Material umgewandelt wird, ist dies kein wirtschaftlich lohnendes Unterfangen. Es kann auch schwierig sein, nach mehrmaliger Wiederverwendung die gleiche Qualität des Materials zu erreichen. Das liegt daran, dass bei der Wiederaufbereitung Additive entfernt werden und durch die längere Hitzeeinwirkung einige für den Extrusionsprozess wichtige Eigenschaften verloren gehen. Ein weiterer Faktor beim Recycling von gebrauchtem Filament ist, dass, wenn es gefärbt ist, die Mischung der Farben nach dem Wiedereinschmelzen nicht mehr optimal sein kann. Thermoplaste werden außerdem von den meisten Recyclinganlagen nicht akzeptiert, da ihr Schmelzpunkt niedriger ist als der anderer Kunststoffe, was zu Problemen beim Schmelzprozess in der Anlage führt. Angesichts der zunehmenden Forderung nach umweltfreundlichen Fertigungsverfahren ist FDM vergleichsweise nicht so umweltfreundlich wie andere Verfahren.
Jede Fertigungsmethode in der Industrie hat ihre Vor- und Nachteile. Daher sollten Anwender ihre Bedürfnisse und Ideale evaluieren und fundierte Entscheidungen im besten Interesse ihres Unternehmens und ihrer Produkte treffen. Dieser Artikel soll nicht eine additive Fertigungsmethode über eine andere stellen. Er soll ein informativer und fairer Vergleich einiger der ältesten und neuesten Technologien der Branche sein.
Jede Fertigungsmethode in der Industrie hat ihre Vor- und Nachteile. Daher sollten Anwender ihre Bedürfnisse und Ideale evaluieren und fundierte Entscheidungen im besten Interesse ihres Unternehmens und ihrer Produkte treffen. Dieser Artikel soll nicht eine additive Fertigungsmethode über eine andere stellen. Er soll ein informativer und fairer Vergleich einiger der ältesten und neuesten Technologien der Branche sein.