Autorin: Fanny Pohontsch

Multi Material Jetting (MMJ): Vier Werkstoffe – ein Bauteil

31. August 2020

1. Station der vierteiligen Fotoserie: Additive Fertigung mit Keramik, (Hart)-Metall und Glas

Eine Komponente aus unterschiedlichen Materialien, die mehrere Funktionen, wie beispielsweise elektrische Isolation und Leitfähigkeit, vereint – derartige multifunktionale Strukturen ließen sich bislang nur mithilfe mehrerer kombinierter Herstellungsverfahren aus gefügten Einzelteilen fertigen. Aus diesem Grund entwickelten Steven und seine Kollegen das Multi Material Jetting, kurz MMJ.

»MMJ ist weltweit einzigartig und ermöglicht es erstmals, bis zu vier Materialien in einem einzigen Bauteil zu vereinen – mit hoher Güte und in nur einem Prozessschritt. Neben oxid- und nitridkeramischen Werkstoffen können auch Gläser und Metall-Keramik-Komposite verarbeitet und miteinander kombiniert werden. Oder Hartmetalle: Mit MMJ können daraus endkonturnahe Werkstücke gedruckt werden, die fast gar nicht mehr nachbearbeitet werden müssen. Das spart Zeit und Geld«, hebt Steven Weingarten hervor.

Die Fertigung basiert auf partikelgefüllten thermoplastischen Massen, sogenannte Feedstocks, die aufgeschmolzen und über Mikrodosiersysteme Tropfen für Tropfen hochpräzise abgelegt werden.

Lesen Sie dazu in der Bildstrecke zum MMJ:


Feedstock-Aufbereitung und Konstruktion

Steven zeigt Leuchtstoffe für die Funktionalisierung von Borosilikat-Glaspulver – einmal blau, einmal grün lumineszierend. In einem Testkörper sollen beide Gläser miteinander kombiniert werden. Borosilikatglas ist nicht nur besonders hitze- und temperaturwechselbeständig, sondern auch chemisch sehr resistent. Beste Voraussetzung für den Einsatz in harscher Industrie- oder Arbeitsumgebung.
© Fraunhofer IKTS
Steven zeigt Leuchtstoffe für die Funktionalisierung von Borosilikat-Glaspulver – einmal blau, einmal grün lumineszierend. In einem Testkörper sollen beide Gläser miteinander kombiniert werden. Borosilikatglas ist nicht nur besonders hitze- und temperaturwechselbeständig, sondern auch chemisch sehr resistent. Beste Voraussetzung für den Einsatz in harscher Industrie- oder Arbeitsumgebung.
PC-gestützte Planung und Berrechnung der Feedstocks.
© Fraunhofer IKTS
Während der Konstruktion muss Steven bereits bedenken, welche Bereiche des Zielbauteils aus welchem Material herzustellen oder ob beispielsweise aufgrund der Komplexität Stützstrukturen für den Herstellungsprozess notwendig sind.
Berrechnung der Feedstocks. Dafür wird vorab definiert, welchen Lasten das Bauteil an welchen Bereichen ausgesetzt sein wird. Auch die Schwindung des Bauteils während der anschließenden Sinterung im Ofen muss an dieser Stelle berücksichtigt werden. Dabei werden die gewünschten Eigenschaften der Materialien aktiviert – ein keramiktypischer Vorgang.
© Fraunhofer IKTS
Dafür definierte er vorab, welchen Lasten das Bauteil an welchen Bereichen ausgesetzt sein wird. Auch die Schwindung des Bauteils während der anschließenden Sinterung im Ofen muss an dieser Stelle berücksichtigt werden. Dabei werden die gewünschten Eigenschaften der Materialien aktiviert – ein keramiktypischer Vorgang.
Steven stellt zunächst alle für die Feedstockaufbereitung benötigten Werkstoffe zusammen.
© Fraunhofer IKTS
Anschließend erfolgt im Labor die Aufbereitung der beiden Feedstocks. Steven stellt zunächst alle benötigten Werkstoffe zusammen.
Die einzelnen Bestandteile für die Feedstocks werden exakt abgewogen und mittels geeigneter Aggregate in ein thermoplastisches, auf das Pulver abgestimmte Bindersystem eingebracht.
© Fraunhofer IKTS
Die einzelnen Bestandteile für die Feedstocks werden exakt abgewogen und mittels geeigneter Aggregate in ein thermoplastisches, auf das Pulver abgestimmte Bindersystem eingebracht.
Der Anteil der Borosilikat-Glaspartikel soll dabei möglichst hoch sein, um später die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Gleichzeitig muss die Ausgangsmasse aber fließfähig genug sein, um gut verarbeitet werden zu können.
© Fraunhofer IKTS
Der Anteil der Borosilikat-Glaspartikel soll dabei möglichst hoch sein, um später die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Gleichzeitig muss die Ausgangsmasse aber fließfähig genug sein, um gut verarbeitet werden zu können. Unterstützt wird Steven hier durch die IKTS-Gruppe Pulver- und Suspensionscharakterisierung
Nachdem die Bestandteile im Dissolver homogen verteilt wurden, füllt Steven die viskose, in ihrer Konsistenz honigartige Masse in die Kartuschen, die anschließend in die Mikrodosiersysteme eingesetzt werden. Im Falle des leuchtenden Testkörpers benötigt Steven zwei dieser Einheiten für die beiden Glas-Feedstocks. Wäre eine Stützstruktur notwendig, käme eine dritte Einheit zum Einsatz.
© Fraunhofer IKTS
Nachdem die Bestandteile im Dissolver homogen verteilt wurden, füllt Steven die viskose, in ihrer Konsistenz honigartige Masse in die Kartuschen, die anschließend in die Mikrodosiersysteme eingesetzt werden. Im Falle des leuchtenden Testkörpers benötigt Steven zwei dieser Einheiten für die beiden Glas-Feedstocks. Wäre eine Stützstruktur notwendig, käme eine dritte Einheit zum Einsatz.
Anschließend erfolgen Dosiertests mit der Anlage. Hierbei werden die erzeugten Tropfenreihen und Linienstrukturen mittels Laserscanner digital erfasst und automatisch ausgewertet. Abweichungen in Höhe, Form und Durchmesser der Tropfen beider Materialien können durch eine gezielte Anpassung der Verfahrensparameter kompensiert werden.
© Fraunhofer IKTS
Anschließend erfolgen Dosiertests mit der Anlage. Hierbei werden die erzeugten Tropfenreihen und Linienstrukturen mittels Laserscanner digital erfasst und automatisch ausgewertet. Abweichungen in Höhe, Form und Durchmesser der Tropfen beider Materialien können durch eine gezielte Anpassung der Verfahrensparameter kompensiert werden.
Um die Daten vom Computer zur Anlage zu transferieren und die für die Ansteuerung der Anlage notwendigen Befehle zu generieren, wird das erstellte Modell in der Additiven Fertigung gesliced, also in einzelne Scheiben zerlegt – ähnlich einer Wanderkarte mit Höhenprofil. Da das MMJ tropfenbasiert ist, wird das Bauteil in eine Punktwolke zerlegt. Jeder Punkt symbolisiert die Zielkoordinate eines Tropfens. Die Slicer-Software macht es durch den Export in einen Anlagen-kompatiblen Code möglich, dass der Drucker die CAD-Datei lesen und verstehen kann.
© Fraunhofer IKTS
Um die Daten vom Computer zur Anlage zu transferieren und die für die Ansteuerung der Anlage notwendigen Befehle zu generieren, wird das erstellte Modell in der Additiven Fertigung gesliced, also in einzelne Scheiben zerlegt – ähnlich einer Wanderkarte mit Höhenprofil. Da das MMJ tropfenbasiert ist, wird das Bauteil in eine Punktwolke zerlegt. Jeder Punkt symbolisiert die Zielkoordinate eines Tropfens. Die Slicer-Software macht es durch den Export in einen Anlagen-kompatiblen Code möglich, dass der Drucker die CAD-Datei lesen und verstehen kann.


Additive Fertigung von Multifunktions-Bauteilen mittels MMJ

Die Technologie ist in Abhängigkeit von den verwendeten Prozessparametern in der Lage, Tropfen mit einem Durchmesser von 200 bis 1000 µm zu erzeugen. Die Feedstocks werden durch Düsen in den Mikrodosiereinheiten erhitzt und hochpräzise punktweise auf der Unterlage abgelegt, sodass sie zu Linien verschmelzen. Danach erstarren sie. Das Bauteil entsteht – Tropfen für Tropfen.
© Fraunhofer IKTS
Die Technologie ist in Abhängigkeit von den verwendeten Prozessparametern in der Lage, Tropfen mit einem Durchmesser von 200 bis 1000 µm zu erzeugen. Die Feedstocks werden durch Düsen in den Mikrodosiereinheiten erhitzt und hochpräzise punktweise auf der Unterlage abgelegt, sodass sie zu Linien verschmelzen. Danach erstarren sie. Das Bauteil entsteht – Tropfen für Tropfen.
Bis zu vier heizbare Dosiereinheiten bewegen sich dabei in allen drei Raumrichtungen über eine feststehende Plattform. »Die verwendeten Druckköpfe unserer prototypischen Anlage sind in der Lage, durchschnittlich 1000 Tropfen pro Sekunde abzulegen. So schafft es die Anlage, zirka 60 mm pro Sekunde zu fertigen...
© Fraunhofer IKTS
Bis zu vier heizbare Dosiereinheiten bewegen sich dabei in allen drei Raumrichtungen über eine feststehende Plattform. »Die verwendeten Druckköpfe unserer prototypischen Anlage sind in der Lage, je nach Geometrie und Druckgeschwindigkeit bis zu 1000 Tropfen pro Sekunde abzulegen. So schafft es die Anlage, zirka 60 mm pro Sekunde zu fertigen…
... Kleinere Teile können somit innerhalb von 30 bis 60 Minuten hergestellt werden«, beschreibt Steven. Maximal sind Komponenten mit einer Größe von 20 x 20 x 18 cm möglich. Die Software für die punktgenaue Steuerung der Mikrodosiereinheiten entwickelte ebenfalls ein Team des IKTS.
© Fraunhofer IKTS
... Kleinere Teile können somit innerhalb von 30 bis 60 Minuten hergestellt werden«, beschreibt Steven. Maximal sind Komponenten mit einer Größe von 20 x 20 x 18 cm möglich. Die Steuerungsentwicklung im Bereich SPS und die Softwarefür die punktgenaue Steuerung der Mikrodosiereinheiten entwickelte ebenfalls ein Team des IKTS.
Das IKTS verfügt über langjährige Erfahrungen im Bereich der materialspezifischen Sinterung und entwickelt Sinterrouten für Multimaterialkomponenten. Bei Glaskeramik wird es beispielsweise 700 °C heiß im Ofen. Insgesamt 48 Öfen stehen am IKTS zur Verfügung, um material- und parameterspezifisch Keramiken, Gläser und Hartmetalle zu sintern.
© Fraunhofer IKTS
Das IKTS verfügt über langjährige Erfahrungen im Bereich der materialspezifischen Sinterung und entwickelt Sinterrouten für Multimaterialkomponenten. Bei Glaskeramik wird es beispielsweise 700 °C heiß im Ofen. Insgesamt 48 Öfen stehen am IKTS zur Verfügung, um material- und parameterspezifisch Keramiken, Gläser und Hartmetalle zu sintern.
Neben mehrfarbigen Komponenten ermöglicht das Multi Material Jetting auch die Kombination von gleichermaßen thermisch oder elektrisch isolierenden und leitenden Materialien.
© Fraunhofer IKTS
Neben mehrfarbigen Komponenten ermöglicht das Multi Material Jetting auch die Kombination von gleichermaßen thermisch oder elektrisch isolierenden und leitenden Materialien.
Multi-Material-Jetting(MMJ)-Analge
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Hardware und Software sollen der Industrie in naher Zukunft je nach Anforderung zur Verfügung stehen: Die Entwicklungen und vor allem Ergebnisse im kleinen Maßstab haben gezeigt, dass die Technologie skalierbar ist. Alle Komponenten, die Steuerung und Materialufbereitung konnten erfolgreich auf eine industrietaugliche Anlage adaptiert werden. Nun wird die Kommerzialisierung angebahnt.


Weitere Informationen

- IKTS-Gruppe »Software für Prüfsysteme«
- IKTS-Gruppe »Systemverfahrenstechnik«
- IKTS-Gruppe »Pulver- und Suspensionscharakterisierung«
- IKTS-Gruppe »Validierung«

 

Hier gelangen Sie in den nächsten Wochen zu den weiteren Verfahren der Additiven Fertigung von Keramik, (Hart-)Metall und Glas sowie zum Übersichtsbeitrag:

2. Station: Badbasierte Photopolymerisation (VPP): Mit blauem Licht zu hochkomplexen Strukturen
3. Station: Fused Filament Fabrication (FFF): Keramikkomponenten von der Spule
4. Station: Binder Jetting (BJ): Gebettet in Pulver