HP Jet Fusion vs. Lasersintern

HP-Multi-Jet-Fusion

Als HP 2014 die Daten für ihren neuen (und ersten) 3D-Drucker „Multi Jet Fusion 4200″ bekannt gab, hat dies für einige Irritationen in der Branche gesorgt. Sowohl bei Hersteller als auch Anwender rieben sich verwundert die Augen. HP versprach mit ihrem neuen 3D-Drucker, die Herstellung von genaueren/detaillierteren Objekten, die auch noch spürbar stabiler sein sollten als mit vergleichbaren anderen additiven Verfahren erzeugten Objekten. Was aber für das meiste Staunen gesorgt hat, ist die Ankündigung, dass dies alles mit der 10-fachen Geschwindigkeit des FDM- oder Lasersinterverfahrens geschehen soll. Zumal HP bislang kein sonderlich bekannter Wettbewerber auf dem 3D-Druck Markt war und unklar ist ob HP die Versprechen wird halten können.

Die Fachleute streiten sich ob die Multi Jet Fusion „nur“ eine weitere 3D-Drucktechnologie ist, die parallel zu den etablierten Verfahren bestehen wird. Oder wird HP damit eine oder mehrere Verfahren vom Markt verdrängen können?

Am interessantesten scheint es wie sich HP Jet Fusion im Vergleich mit dem Lasersintern schlägt.
Warum grade der Vergleich mit dem Lasersintern, wo doch die Herstellungsmethoden ziemlich verschieden sind (Details erfahren Sie unten)? Zurzeit kann HP Jet Fusion nur das Material PA 12 (Polyamid 12 auch Nylon 12 genannt) verwenden, und da PA 12 auch das beliebteste Material für Lasersintern ist, ist ein Vergleich dieser beiden Verfahren lohnenswert.

Da HPs Multi Jet Fusion 4200 nun schon einige Monate auf dem Markt ist, wird es Zeit, dass wir einen genaueren Blick auf die wichtigsten Aspekte der beiden Technologien werfen.


Die Unternehmen hinter den Technologien

Die Technologie des Lasersinterns ist mittlerweile seit über 25 Jahren auf dem Markt. Ursprünglich wurde sie von Carl R. Deckard Mitte der 1980er entwickelt und in der von ihm gegründeten Firma DTM Corp. (Desktop Manufacturing Corporation) vermarktet. DTM hat 1992 auch die erste Lasersintermaschine auf dem Markt gebracht („Sinterstation 2000“). Das Konzept und die Produkte überzeugten auch den Branchenriesen 3D-Systems. 2001 kaufte 3D-Systems DTM für 45 Millionen USD. Dennoch ist 3D-Systems im Bereich des Lasersinters ein eher kleiner Markteilnehmer, wohingegen das deutsche Unternehmen EOS in diesem Bereich die Standards setzt. Eigentlich war EOS ein bekannter Hersteller von Stereolithografie-3D-Druckern, wechselte aber später zur Lasersintertechnologie und wurde mit ihren Produkten sehr schnell zum Weltmarktführer in diesem Bereich.

Hewlett-Packard (HP) ist im Bereich des 3D-Drucks vergleichsweise noch ein Neuling. Den Meisten ist HP eher als Hersteller hochklassiger 2D-Tintenstrahldrucker bekannt. Deshalb verwundert es auch nicht, das ihr erster 3D-Drucker (Multi Jet Fusion 4200) ein Drucker ist, der auf der Tintenstrahltechnologie aufbaut (Details in Kasten Verfahrensweisen). Trotzdem HP relativ neu auf dem Gebiet der additiven Fertigung ist, reicht ein Blick auf die Unternehmenskennzahlen, um die Dimension dieses Vorstoßes einordnen zu können. Allein das F&E-Budget von HP Inc. (Hardwarebereich von HP) ist größer als der Gesamtumsatz von EOS und 3D-Systems zusammengenommen.

HP Jet Fusion und Lasersintern Prozess

Das Prinzip hinter dem Verfahren des Lasersinterns ist relativ einfach: Eine dünne Schicht des Materialpulvers (Metall / Kunststoff) wird auf eine Bauplattform aufgetragen. Anschließend sintert ein Laser die Pulverschicht an den bestimmten Stellen. Dabei erhitzt der Laser das Pulver so weit, dass die Korner des Materialpulvers miteinander verkleben. Beim Abkühlen des Werkstückes härtet das Material dann aus. Anschließend wird die Bauplattform um etwa 100 – 120 µm abgesenkt und der Prozess wiederholt sich, bis das Objekt fertig ist. Hier lesen mehr über die Technologie.

Schematische Darstellung Lasersinterprozess

Schematische Darstellung des Prozesses; Quelle: Wikipedia / Designer: Materialgeeza

Das Prinzip der Multi Jet Fusion ist ein gänzlich anderes. Eine der wenigen Gemeinsamkeiten der beiden Technologien ist, dass Ausbringen einer dünnen Pulverschicht auf die Bauplattform. Die Düsen des Jet Fusion 3D-Druckers spritzen den „Fusing Agent“ an den Stellen, die das 3D-Modell vorgibt, in das Pulver. Das Besondere des „Fusion Agent“ ist, dass er gut wärmeleitend ist, dies bedeutet, dass die Bereiche mit dem „Fusing Agent“ sich schneller erhitzen als der Rest des Materialpulvers. In den Bereichen mit dem „Fusion Agent“ schmilzt das Pulver und verschmilzt miteinander zu einem festen Gebilde.
Daneben gibt es noch den s. g. „Detailing Agent“, dieser wird an den Rand rund um das Objekt ausgebracht. Der „Detailing Agent“ ist wärmeisolierend und dafür da, die Ränder des Objektes zu schützen, da er verhindert, dass das übrige Materialpulver mitgesintert wird. Mehr zum HP Jet Fusion Verfahren.

Source: Youtube.com / HP Inc.

Mechanische Eigenschaften der gedruckten Objekte

Obwohl beide Verfahren chemisch gesehen das gleiche Material verwenden, unterscheiden sich die mechanischen Eigenschaften der 3D-gedruckten Objekte bei den beiden Verfahren voneinander.
Beim Lasersintern erhitzt ein feiner Laserstrahl das Materialpulver bis kurz unter den Schmelzpunkt. Dies ist ein anderer Zustand, als er beim Schmelzen erzeugt wird. Die „gesinterten“ Objekte sind also nicht vollständig miteinander verschmolzen.

Im Gegensatz dazu wird bei der Jet Fusion das Material miteinander verschmolzen. Deshalb sind die Objekte auch homogener in X/Y und der Z-Dimension. Die gefertigten Objekte weisen auch eine höhere Dichte auf.

Was dies für praktische Auswirkungen hat, haben wir Ihnen in den unten stehenden Grafiken aufbereitet (Schwarz: Jet Fusion, Grau: Lasersintern):

Materialdichte

Materialdichte Lasersintern vs. HP Jet Fusion

Materialdichte

Die Lasersinterobjekte sind poröser als die mit HP Jet Fusion hergestellten. Die Jet Fusion Objekte habe eine ähnliche Dichte wie mit dem Spritzgussverfahren gefertigte (1,01 g/cm³ ist die Dichte des Ausgangsmaterials Polyamid 12).

Mechanische Eigenschaften

Beim Vergleich der Daten für die X-Y-Achsen kommen wir auf ähnliche Werte. Der große Unterschied entsteht auf der Z-Achse. Hier liefert das Jet Fusion-Verfahren bessere Ergebnisse, vor allem in den Bereichen Zugfestigkeit und Bruchdehnung. Die Objekte, die mit Jet Fusion hergestellt werden, weisen eine höhere Isotropie auf, als gesinterte Objekte.

Bitte beachten Sie, dass die verwendeten Werte nur Richtwerte sind. Die Werte können, abhängig von der verwendeten Maschine, Maschineneinstellungen, Objekteigenschaften und der Orientierung des Objektes in Druckraum, abweichen.


Zugfestigkeit Lasersintern vs. HP Jet Fusion

Zugfestigkeit

Auf der X-Y-Ebene liefern beide Verfahren ähnliche Ergebnisse. Aber auf der Z-Ebene (parallel zu den Druckschichten) fällt die Festigkeit der Lasersinter-Objekte hinter die der Jet Fusion-Objekte zurück. Das bedeutet, die einzelnen Druckschichten sind gleich stabil, allerdings können die gesinterten Objekte entlang der Druckschichten leichter brechen.


Zugmodul Lasersintern vs. HP Jet Fusion

Zugmodul

Die Jet Fusion-Objekte zeigen leichte Unterschiede in den Werten für die X-Y-Ebene und die Z-Achse, in beiden Punkten sind die Werte allerdings höher als die Vergleichswerte des Lasersinterns. Man kann also sagen, dass Jet Fusion-Objekte etwas widerstandsfähiger gegen Verformung sind.


Bruchdehnung Lasersintern vs. HP Jet Fusion

Bruchdehnung

Ähnliche Eigenschaften für die X-Y-Ebene bei der Bruchdehnung, wiederum eine höhere Widerstandskraft in der Z-Achse bei Jet Fusion.

Quellen: EOS Material Data for PA2200 Balance 1.0 and HP 3D High Reusability PA 12.
Hinweis: Die Daten können je nach verwendeter Maschine und Einstellungen variieren.

Die Oberflächenbeschaffenheit im Vergleich

Da beide Technologien mit Materialpulvern als Grundlage arbeiten, sind die Oberflächen der hergestellten Objekte mit einer feinen Körnung versehen. Die verwendeten Materialpulver (bei Jet Fusion bisher PA 12) sind sich sehr ähnlich (~ 60 µm Körnergröße). Daher haben die Oberflächen, der hergestellten Objekte, ein ähnliches Erscheinungsbild. Messungen der Oberfläche zeigen allerdings, dass die Oberflächenrauheit beim Jet Fusion Verfahren um ca. 20 – 50% geringer ist als im Lasersinter-Verfahren. Auch hier kann es je nach Maschine, Teil und Orientierung zu Abweichungen kommen.

HP Jet Fusion und Lasersintern Ra und Rz Wert unbearbeitet

Ra und Rz Werte für unbehandelte Teile (HP Jet Fusion & Lasersintern)
Quelle: 3Faktur & Ernst-Abbe Hochschule Jena

HP Jet Fusion und Lasersintern Ra und Rz Wert gestrahlt

Ra und Rz Werte für glasperlgestrahlte Teile (HP Jet Fusion & Lasersintern)
Quelle: 3Faktur & Ernst-Abbe Hochschule Jena

Methodik: Ra & Rz wurden auf den Oberseiten von standardisierten Testkörpern (20 x 40 x 3 mm) gemessen. Der Druck erfolge flach auf X-Y- Ebene auf folgenden Maschinen bzw. mit folgenden Materialien: HP Multi Jet Fusion 4200 / HP high reusability PA 12; EOS P380 / EOS PA2200. Die Tests wurden von der Ernst Abbe Hochschule Jena und 3Faktur durchgeführt.

Toleranzen / Genauigkeit

Richtungsgenauigkeit Lasersintern vs HP Jet Fusion

Quellen: Hewlett-Packard, eigene Messungen. Das Diagramm zeigt die Richtungsgenauigkeit in mm für ein Objekt von max. 100 mm.

Die Genauigkeit von Objekten, die mit HP Jet Fusion hergestellt werden, ist tendenziell höher, als beim Lasersintern. Allerdings ist auch dies abhängig von der jeweiligen Teilegeometrie.

Für die Vorteile in der Genauigkeit gibt es mehrere Gründe: der wichtigste ist der Prozess des Erhitzens. Beim Lasersintern erhitzt ein Laserstrahl mit einem Durchmesser von 100 – 200 µm, relativ kleine Bereiche des Materialpulvers. Beim Jet Fusion wird die gesamte Bauplattform zur gleichen Zeit erhitzt. Das hat zur Folge, dass 1.: die einzelnen Schichten der Objekte langsamer erhitzt werden und 2.: das Objekt gleichmäßig erhitzt wird, sodass die Temperaturunterschiede innerhalb des Objekts nicht so groß sind. Beides führt dazu, dass die Risiken bei der Erhitzung reduziert werden (Schrumpfung und Materialermüdung). Damit lässt sich das Risiko von Ungenauigkeiten senken.

Druckgeschwindigkeiten im Vergleich


Der vollständige Druckzyklus mit dem 3D-Drucker HP Multi Jet Fusion (Schichtstärke 80 µm) besteht aus:

  • Vorheizen: ~1,5 – 2 h
  • 3D-Druck: ~12 h
  • Abkühlen: ~12 h
  • Insgesamt: ~26 h

Der zurzeit verfügbare maximale Bauraum beträgt: 380 x 284 x 380 mm (~40 l).


Beim Lasersintern können die Werte, stark variieren. Dies liegt an der Vielzahl an vorhandenen Maschinen, Maschineneinstellungen und Materialien. Ein sehr beliebter SLS 3D-Drucker ist der EOS Formiga, er ermöglicht hochauflösendes 3D-Drucken.  Der Bauraum entspricht etwas der Hälfte des Multi Jet Fusion 4200 (~16 l). Bei einer Schichtstärke von 100 µm ergeben sich folgende Zeiten:

  • Vorheizen: ~1,5 – 2 h
  • 3D-Druck: ~30 h (stark abhängig von der Auslastung des Bauraums)
  • Abkühlen: ~10 – 12 h
  • Insgesamt: ~40 – 45 h

Es wird empfohlen die Bauplattform entsprechend der Druckzeit (1:1) abkühlen zu lassen. In der Praxis wird diese Zeit normalerweise verkürzt. Allerdings gibt es auch größere Hochleistungsdrucker (EOS), die es mit der Geschwindigkeit des HP Multi Jet Fusion 4200 aufnehmen können, indem sie eine große Bauplattform und einen zweiten Laser verwenden.

Vorteile & Nachteile der beiden Technologien


HP Jet Fusion

Lasersintern


Vorteile

  • Hohe Genauigkeit / Wiederholbarkeit.
  • Hohe Festigkeit.
  • Hohe Geschwindigkeit.
  • Hohe Anzahl an Systemen / Materialien.
  • Einfach zu Färben.
  • Etablierte und ausgereifte Technologie.

Nachteile

  • Zurzeit nur ein Material & eine Farbe verfügbar.
  • Begrenzte Größe der Bauräume – bisher nur eine Maschine erhältlich.
  • Mechanische Eigenschaften der gedruckten Objekte.
  • Geringe Richtungsgenauigkeit.
  • Kostenintensiv durch geringe Wiederverwendbarkeit des Materialpulvers.

Anwendungen

Lasersintern hat eine hohe Bandbreite an Anwendungsbereichen, da die Technologie etabliert ist und eine große Materialauswahl und verschiedene Bauraumgrößen aufweist. Demgegenüber arbeitet Jet Fusion (bis jetzt) nur mit dem Material PA 12 und Ihnen steht auch „nur“ ein Bauraum (380 x 284 x 280 mm) zur Verfügung.

Anwendungen für Lasersintern:

  • Für Objekte > 380 mm
  • Objekte, die farbig sein sollen (z. B. weiße Architekturmodelle oder farbige Accessoires).
  • Alle anderen Materialen als PA 12.

Anwendungen für HP Jet Fusion:

  • Kleinserienfertigung (Hoher Durchlauf und höhere Genauigkeit).
  • Objekte, bei denen es auf bestimmte mechanische Eigenschaften ankommt (z. B. Isotropie).
  • Projekte mit knappen Zeithorizonten (schnelle Druckgeschwindigkeit).

Mehr Informationen


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