HP Jet Fusion vs. Lasersintern

Beide Verfahren haben vieles gemeinsam, z.B.
• Stützstrukturen sind nicht notwendig, es können daher hochkomplexe Geometrien produziert werden
• In einem Produktionszyklus können duzende, hunderte oder sogar Tausende Bauteile produziert werden, da diese während der Produktion miteinander verschachtelt werden können
• Beide Verfahren können nur teilkristalline Polymere verwenden. In der Praxis sind dies meist Polyamide, jedoch kommen zunehmend auch weitere Polymere wie TPU, TPA oder Polypropylen hinzu
Jedoch gibt es auch Unterschiede in den Verfahren, auf welche im Folgenden im Detail eingegangen wird.

Das Lasersinterverfahren folgt einem relativ einfachen Prinzip: Auf eine Bauplattform wird eine dünne Schicht Materialpulver aufgetragen. Ein Laser erhitzt selektiv die spezifizierten Bereiche im Pulverbett, wodurch das Pulver so stark erhitzt wird, dass die Partikel miteinander „versintern“. Beim Abkühlen härtet das Material aus, die Bauplattform wird um etwa 100 – 120 µm abgesenkt und der Prozess wiederholt sich, bis das Objekt fertiggestellt ist.

Eine Gemeinsamkeit mit dem Lasersinterverfahren ist das Auftragen einer dünnen Pulverschicht auf die Bauplattform. Im Gegensatz zum Lasersintern arbeitet man jedoch nicht mit einem Laser, sondern mit Druckköpfen. Die Düsen des Jet Fusion 3D-Druckers sprühen eine wärmeleitende Flüssigkeit, genannt „Fusing Agent“, an die vom 3D-Modell vorgegebenen Stellen in das Pulver. Am Druckkopf befinden sich Heizstrahler, welche die mit Fusing Agent benetzten Bereiche stärker erhitzen als die nicht benetzten Pulverbereiche. In der Folge schmilzt das Pulver an den „bedruckten“ Stellen.
Darüber hinaus verwendet HP einen „Detailing Agent“, der um die Ränder des Objekts herum ausgebracht wird. Dieser Agent wirkt wärmeisolierend und verhindert, dass das übrige Materialpulver mit verschmilzt. Dadurch wird eine erhöhte Detailtreue gewährleistet.

Beide Verfahren, SLS und MJF, nutzen teilkristalline Polymere, weitere Details dazu finden Sie auf der Seite Polymere für den 3D-Druck. In der Praxis wird der Markt hauptsächlich von Polyamiden dominiert, insbesondere von Polyamid 12, obwohl auch Polyamid 11 Verwendung findet. Bei der Lasersinter-Technik ist ebenfalls die Produktion mit PA6 möglich, welche erhöhte Prozess-Temperaturen erfordert. Im Bereich der Elastomere wird bei SLS meist auf TPU zurückgegriffen. Darüber hinaus gibt es auch einige hochspezialisierte Materialien im Markt, wie beispielsweise flammhemmende, ESD-konforme oder faserverstärkte Materialien.
Ein wesentlicher Vorteil von SLS ist, dass die Materialien leichter ausgetauscht werden können und es „offene Anlagen“ auf dem Markt gibt, auf denen eigene Materialien getestet und implementiert werden können. Nachteilig kann sich auswirken, dass bei Verwendung von „Nicht-Standard“ Materialien ggf. Abstriche bei der Replizierbarkeit gemacht werden müssen.

Obwohl die Materialpalette bei Multi Jet Fusion kleiner ist, besteht der Vorteil darin, dass alle Materialien entweder direkt von HP geliefert oder durch ein aufwändiges Verfahren von HP zertifiziert werden. Dies gewährleistet eine herausragend konstante Materialqualität. Die Materialpalette umfasst u.a. Polyamid 12 und 11, TPUs von Lubrizol und BASF, Polypropylen von BASF sowie ein elastisches TPA von Evonik.

Aufgrund der Bandbreite an Anlagen lässt sich hier keine allgemeingültige Aussage treffen. Semi-professionelle Anlagen haben meist kleinere Bauräume, teils unter 150 mm. Die größten Anlagen am Markt können hingegen auf Bauräume von bis zu 1.000 mm kommen, als Beispiel wäre hier die Farsoon 1001P zu nennen.

Die Anlagen der 42er und 52 Serie verfügen über einen Bauraum von 380 x 284 x 380 mm.

Die Auflösung bei SLS wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter die Schichtstärke, der Spot-Durchmesser des verwendeten Lasers, die Scanstrategie des Lasers und die Korngröße des Materials. Hierbei gibt es erhebliche Unterschiede zwischen den einzelnen Anlagen. Kleinere industrielle Anlagen bieten typischerweise eine hohe Auflösung, vorausgesetzt das Material erlaubt dies. Ein Beispiel hierfür ist die Formiga von EOS, die grundsätzlich eine hohe Auflösung bietet, aber in der FDR („Fine Detail Resolution“) Version sogar sehr feine Details auflösen kann. Anlagen mit größerem Bauraum nutzen dagegen häufig größere Spot-Durchmesser und Schichtstärken, um eine effiziente Produktionsgeschwindigkeit zu ermöglichen, was dazu führen kann, dass feine Details oder kleinere Bauteile nicht optimal zur Geltung kommen.

Ein wesentlicher Vorteil der MJF-Technologie liegt in der deutlich erhöhten Produktionsgeschwindigkeit. Diese ermöglicht es, die Schichtstärke auf ein Minimum zu reduzieren (typischerweise 80 µm), ohne dabei die Produktionseffizienz zu beeinträchtigen. Diese Eigenschaft, kombiniert mit der enorm hohen Auflösung von 1.200 DPI der Druckköpfe, ermöglicht es MJF-Geräten, Detailgrade zu erreichen, die sonst nur von den besten SLS-Anlagen erreicht werden können. Die mittleren Korngrößen der Pulver sind vergleichbar mit Standard-SLS-Materialien (z.B. PA2200) und liegen typischerweise bei 50-60 µm.

Die meisten SLS-Anlagen drucken auf Basis von weißem Grundmaterial, das nach dem Druckvorgang eingefärbt werden kann. Grundsätzlich lässt sich bei SLS das Rohmaterial einfärben, wobei Schwarz eine häufige Wahl ist. Diese Farbe hat oft einen technologischen Hintergrund. So arbeiten kostengünstige Lasersinteranlagen, beispielsweise von Formlabs, meist mit Diodenlasern, für die eine schwarze Grundfarbe des Pulvers notwendig ist. Ähnlich verhält es sich mit der FLIGHT Technologie, die vor allem Farsoon einsetzt – hier kommt ein Faserlaser zum Einsatz, der deutlich höhere Produktionsgeschwindigkeiten ermöglicht. Auch bei einem Faserlaser ist schwarzes Rohmaterial technisch vorteilhaft.

In der ursprünglichen Version des MJF-Verfahrens ist das Ausgangsmaterial weiß, während der Fusing Agent schwarz ist. Dies führt dazu, dass die inneren Teile der Bauteile vollständig schwarz sind, an der Oberfläche jedoch ein geringer Weißanteil verbleibt (angesintertes Restmaterial). Daher erscheinen die Bauteile grau und eher inhomogen. Typischerweise wird nach dem Druck eine Tauchfärbung durchgeführt, die den Bauteilen eine homogene Färbung und vollständige Schwärzung verleiht.
Seit Anfang 2023 ermöglicht eine neue Gerätevariante, die 5240 von HP, auch das Drucken von vollständig weißen Bauteilen. Diese zeichnen sich im Vergleich zu den meisten Lasersinter-Bauteilen durch ein homogeneres Weiß auch bei dünnen Wandstärken aus (letztere sind beim SLS häufig transluzent). Zudem bieten sie eine deutlich erhöhte Stabilität gegenüber UV-Einstrahlung – sowohl in Bezug auf die Farbstabilität (kein Vergilben, wie es beim SLS üblich ist) als auch hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften. Hier zeigt sich eine signifikant verringerte Abnahme der mechanischen Eigenschaften unter UV-Einwirkung im Vergleich zu gängigen SLS-Materialien.

Wie bei allen anderen Faktoren, ist auch hier eine Betrachtung der Anlagen- / Materialkombination notwendig. Bei niedrigen Preisen kann u.U. eine der folgenden Situationen vorliegen:

• Anlagenalter: Ältere, abgeschriebene Anlagen können oft zu einem sehr günstigen Preis produzieren. Je nach Instandhaltung und Lebensdauer des Lasers kann die Qualität und/oder Reproduzierbarkeit der Ergebnisse jedoch eingeschränkt sein.
• Anlagenqualität: Werden sub-industrielle Systeme bzw. Systeme von nicht namhaften bzw. Nischenanbietern verwendet, können auch hier günstige Preise angeboten werden. Ebenso ist hier die Qualität sorgfältig zu evaluieren, da sie ggf. nicht industriellen Ansprüchen gerecht wird.
• Materialqualität: Wird Material von Nischenanbietern bzw. eine zu niedrige Refresh-Rate gewählt, können auf Kosten der Bauteilqualität Einsparungen erzielt werden.

Bei modernen, gut gewarteten industriellen Anlagen und gängigen Materialien, wie PA2200 von EOS oder DuraForm von 3D Systems, und den empfohlenen Refresh-Raten kann eine hohe Qualität gewährleistet werden. Allerdings können sich hier für das SLS-Verfahren u.U. Kostennachteile ergeben:

• Abschreibung: Preislich liegen die Anlagen oft ähnlich denen von MJF-Anlagen. Allerdings ist die Druckgeschwindigkeit reduziert, was zu einer höheren Abschreibung pro Bauteil führt.
• Refresh-Rate: Während beim MJF-Verfahren nur 20% Neupulver pro Druck benötigt werden, liegt dieser Wert bei SLS bei 50%, daher sind die Materialkosten pro Druck deutlich höher. Dem SLS-Verfahren kommt zugute, dass eine höhere Packdichte („Packing Rate“) erreicht werden kann. Dies kann jedoch den Mehraufwand an Pulver i.d.R. nicht kompensieren.

Durch die hohe Leistungsfähigkeit des 3D-Druckers, eine umfangreiche und teils automatisierte Prozesskette bei dem Verfahren sowie wenig Materialverbrauch hat dieses Verfahren mit vergleichbaren SLS Anlagen meist Kostenvorteile.