Könnte Multi-Material-3D-Druck der nächste Schritt für AM sein?

Multi-Material-3D-Druck ist eine innovative additive Fertigungstechnik, mit der Objekte mit unterschiedlichen Materialien und Eigenschaften erstellt werden können. Durch das Hinzufügen von mehr Komplexität zu einem Teil kann der Multi-Material-3D-Druck die Leistung und Funktionalität von Teilen erheblich verbessern. Die Technologie eröffnet somit völlig neue Möglichkeiten der Gestaltung und Produktion - und ermöglicht die Schaffung von Objekten, die sonst unmöglich wären. Derzeit ist der Multi-Material-3D-Druck mit einer Reihe von Kunststoffen, Polymeren und sogar Silikonen möglich und somit eine ideale Lösung für die Herstellung realistischer, vollfarbiger Prototypen und Konzeptmodelle. In diesem Tutorial werden wir die Vorteile des Multi-Material-3D-Drucks, die aktuellen verfügbaren Prozesse sowie die häufigsten Anwendungsfälle und Anwendungen kennenlernen.

Was sind die Vorteile des Multi-Material-3D-Drucks?

Einer der Hauptvorteile des Multi-Material-3D-Drucks besteht darin, dass komplexe Teile mit unterschiedlichen Materialeigenschaften in einem einzigen Druckprozess erstellt werden können. Dies unterscheidet sich von Einzelteilen, die zusammengebaut werden müssen, um ein Teil mit unterschiedlichen Materialeigenschaften zu erhalten. Multi-Material-3D-Druck kann daher die Anzahl der Schritte reduzieren, die zur Herstellung eines Objekts erforderlich sind, was zu einem schnelleren Produktentwicklungszyklus führt. Konstrukteure und Hersteller können auch vom Multi-Material-3D-Druck profitieren, da die Kombination verschiedener Materialeigenschaften (wie Transluzenz und Steifigkeit) innerhalb eines Teils die Designvalidierung und die Funktionsprüfung auf ein neues Niveau heben kann. Ein weiterer Vorteil der Verwendung verschiedener Materialien im 3D-Druck ist die Möglichkeit, Farbabstufungen zu erstellen. Durch das Mischen von Materialien in verschiedenen Verhältnissen können verschiedene Farbkombinationen und Farbtöne ohne nachträgliches Lackieren erreicht werden - das spart Zeit bei der Nachbearbeitung.  

Wie funktioniert Multi-Material-3D-Druck?

Beim Multi-Material-3D-Druck können unterschiedliche Materialien in einem einzelnen 3D-Druckobjekt verwendet werden. Während der Multi-Material-3D-Druck derzeit in der Lage ist, Materialien wie Thermoplaste und Polymere zu verarbeiten, ist die Kombination verschiedener Metalle oder Keramiken zu diesem Zeitpunkt noch nicht möglich. Heute bieten Unternehmen wie Stratasys und 3D Systems Multi-Material-3D-Drucklösungen für Prototyping und Modellierung an. Zum Beispiel bietet das Connex Multi-Material-System von Stratasys folgende Druckoptionen:

Gemischter Bauraum:

Mit dieser Option können Sie mehrere Teile aus verschiedenen Materialien - und damit unterschiedliche Eigenschaften - gleichzeitig in einem einzigen Build produzieren. Die Option "Gemischter Bauraum" ist möglicherweise eine ideale Option für Unternehmen, die ein Prototyping mit hohem Volumen benötigen.

Mischteil:3D Druck mit Gummi-ähnlichem Material

Multi-Material-3D-Drucker können in bestimmten Bereichen auch Teile mit unterschiedlichen Eigenschaften drucken. Durch das Kombinieren von Materialien innerhalb eines Teils entfällt die Notwendigkeit, separate Teile zu montieren.   

Digitale Materialien:

Durch das Mischen von zwei oder mehr Materialien werden digitale Materialien verwendet, um ein Objekt mit verbesserten Eigenschaften und Aussehen zu erzeugen, das nicht erreicht werden kann, wenn ein Teil in einem einzigen Material 3D-gedruckt wird.

Welche Technologien werden für den Multi-Material-3D-Druck verwendet?

Gegenwärtig ist das Material-Jetting die am häufigsten verwendete Technologie für den Multi-Material-3D-Druck. Beim Materialausstoß setzen Druckköpfe Tröpfchen eines lichtempfindlichen Materials (oder einer Mischung von Materialien oder unterschiedlichen Materialien durch verschiedene Druckköpfe) ab, die unter ultraviolettem (UV) Licht aushärten. Das Bauteil wird dann Schicht für Schicht mit diesem Prozess erstellt. Stratasys und 3D Systems sind die führenden Hersteller von Multi-Material-3D-Druckern auf Basis der Materialstrahltechnologie. Zum Beispiel arbeitet das Connex ™ 3D-Drucksystem von Stratasys mit zwei oder drei unterschiedlichen Kunststoffmaterialien während des 3D-Druckprozesses. Dies führt dazu, dass das fertige Teil gleichzeitig verschiedene Eigenschaften (wie Steifigkeit und Flexibilität) aufweist.  

Welche Materialien können für den Multi-Material-3D-Druck verwendet werden?

Gegenwärtig sind die am weitesten verbreiteten Materialoptionen für den 3D-Multimaterialdruck Acrylat-basierte Photopolymerharze und Verbundstoffe aus Hartkunststoffen und Elastomeren. So hat 3D Systems im vergangenen Jahr einen neuen Großformat-Multi-Material-ProJet MJP 5600 3D-Drucker vorgestellt, der mit einer Reihe von Kunstharzen und deren Kombinationen zu vollständig montierten Prototypen und komplexen Geometrien mit mehreren Materialeigenschaften zusammenarbeitet. Obwohl die Materialien in den mechanischen Eigenschaften variieren können, bedeutet Fortschritt bei 3D-Druckmaterialien, dass auch technische Verbundwerkstoffe verfügbar sind. Eine der neuesten Innovationen im Multi-Material-3D-Druck ist der Silicon 3D-Druck, eine von ACEO®, einer Tochter der Wacker Chemie AG entwickelte Technologie. Die innovative Silikontechnologie von ACEO® ermöglicht die Herstellung von Silikonteilen mit unterschiedlichen Farben, Härtegraden und Eigenschaften. Eine nützliche Anwendung davon ist die Erzeugung von Silikonen, die isolierende und leitende Eigenschaften haben, da diese verwendet werden können, um ein zusammengesetztes Teil mit integrierter elektrischer Leitfähigkeit zu erzeugen.

Anwendungen des Multi-Material-3D-Drucks3D Druck mit stabilem und flexiblem Bereichen

Die Möglichkeiten des Multi-Material-3D-Drucks sind endlos, mit einer breiten Palette von Anwendungsfällen in der Consumer-, Medizin- und anderen Industrien. Derzeit wird der Multi-Material 3D-Druck hauptsächlich in der Produktentwicklung eingesetzt. Zum Beispiel hat die Firma für Schwimmausrüstung, Speedo, die Technologie verwendet, um Gegenstände wie eine Brille und andere Schwimmausrüstung als Teil des Produktentwicklungszyklus herzustellen. Auch andere Produkte, wie funktionale Prototypen von Dichtungen, Reifen und Schuhsohlen, sind mit 3D-Multi-Material-Druck möglich. Mit dieser Technologie können Design und Funktion des Produkts getestet und verifiziert werden, bevor es in Produktion geht. Da der Multi-Material-3D-Druck lichtdurchlässige und opake Materialien kombinieren kann, hat die medizinische Industrie die Technologie zur Erstellung realistischer anatomischer Modelle für Ausbildungszwecke sowie patientenspezifische Modelle für die präoperative Planung und Ausbildung übernommen. Die Technologie ermöglicht auch das Erstellen transluzenter Teile mit internen farbigen Strukturen, die zur Visualisierung von Flüssigkeitsströmen oder zum Testen von medizinischen Geräten verwendet werden können. Maschinenbauingenieure in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und anderen Branchen können mit dem Multi-Material-3D-Druck funktionelle Prototypen mit dem Aussehen des Endprodukts (Farben, Etiketten usw.) erstellen. Darüber hinaus ermöglicht der Multi-Material-3D-Druck die Herstellung von Formen für kurze Spritzgieß- und Werkzeugserien ohne Montageaufwand. Ein interessantes Element des fortschrittlichen Multi-Material-3D-Drucks ist die Möglichkeit, Teile mit integrierten Funktionen zu erstellen, was besonders für elektronische Geräte nützlich ist. Nano Dimension Ltd. hat kürzlich einen Durchbruch in der Entwicklung von Multi-Material-3D-Druckfarben erzielt. Leitfähige und dielektrische Tinten können nun gleichzeitig zur Herstellung von elektrisch funktionellen Teilen, Schaltungen und Antennen verwendet werden.  

Herausforderungen

Während der Multi-Material-3D-Druck derzeit hauptsächlich für das Prototyping genutzt wird, bietet er dennoch ein enormes Potenzial für die Herstellung von Teilen aus verschiedenen Materialien und einer Kombination von mechanischen Eigenschaften. Es wird daher laufend geforscht, wie die bestehenden Herausforderungen für den Multi-Material-3D-Druck funktionaler Teile überwunden werden können. Die Schwierigkeit liegt in der Entwicklung eines skalierbaren und wiederholbaren Produktionsprozesses, der qualitativ hochwertige Endstücke aus mehreren Materialien liefern kann. Dies ist insbesondere für Metalle und Keramiken eine Herausforderung, da beim gemeinsamen Schmelzen von zwei Materialien, die beispielsweise unterschiedliche Schmelztemperaturen und andere Materialeigenschaften aufweisen, deutliche physikalische Beschränkungen bestehen. Das in Belgien ansässige Unternehmen Aerosint behauptet jedoch, ein einzigartiges Multi-Material-Pulverbett-Verfahren entwickelt zu haben, um Endstücke mit Metallen in Sicht zu produzieren. Die Technologie, die mit Polymeren arbeitet, steuert die Verteilung von zwei verschiedenen Arten von Pulvern auf der Voxel-Ebene, die dann zusammengesintert werden.

Zukunftsaussichten

Ein weiteres faszinierendes Forschungsgebiet ist das Multi-Material-Bioprinting, das revolutionäre Auswirkungen auf Bereiche wie Tissue Engineering, regenerative Medizin und Biosensorik haben könnte. Heute bietet der Multi-Material-3D-Druck jedoch enorme Möglichkeiten für Produktentwicklung und Validierungstests, da die Technologie die Erstellung realistischer 3D-gedruckter Modelle und Prototypen mit unterschiedlichen Eigenschaften ermöglicht. Letztendlich wird der nächste Schritt für den Multi-Material-3D-Druck darin bestehen, die Umstellung auf die Produktion von Endteilen mit integrierten Funktionen und verbesserten mechanischen Eigenschaften erfolgreich umzusetzen. Dieser Bereich der Entwicklung, der bereits viel Forschungstätigkeit verzeichnet, wird das Potenzial der additiven Fertigung auf neue Horizonte erweitern.