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

Multi-Material-3D-Druck ist eine innovative additive Fertigungstechnik, die die Herstellung von Objekten mit unterschiedlichen Materialien und Eigenschaften ermöglicht. Durch die Erhöhung der Komplexität eines Teils kann der Multimaterial-3D-Druck die Leistung und Funktionalität des Teils erheblich verbessern. Die Technologie eröffnet damit ganz neue Gestaltungs- und Produktionsmöglichkeiten – und ermöglicht die Herstellung von Objekten, die sonst nicht möglich wären.

Derzeit ist der Multimaterial-3D-Druck mit einer Reihe von Kunststoffen, Polymeren und sogar Silikonen möglich, was ihn zu einer idealen Lösung für die Herstellung realistischer, vollfarbiger Prototypen und Konzeptmodelle macht. In diesem Tutorial befassen wir uns mit den Vorteilen des Multimaterial-3D-Drucks, den aktuellen verfügbaren Verfahren sowie den gängigsten Anwendungsfällen und Anwendungen.

Was sind die Vorteile des Multimaterial-3D-Drucks?

Einer der Hauptvorteile des Multimaterial-3D-Drucks besteht darin, dass komplexe Teile mit unterschiedliche Materialeigenschaften können in einem einzigen Druckvorgang erstellt werden. Dies unterscheidet sich von Einzelteilen aus einem Material, die eine Montage erfordern, um ein Teil mit unterschiedlichen Materialeigenschaften zu erstellen. Multimaterial-3D-Druck kann daher die Anzahl der Schritte reduzieren, die zur Herstellung eines Objekts erforderlich sind, was zu einem schnelleren Produktentwicklungszyklus führt.

Designer und Hersteller können auch stark vom Multimaterial-3D-Druck profitieren, da die Kombination verschiedener Materialeigenschaften (wie Transluzenz und Steifigkeit) in einem Teil die Designvalidierung und Funktionsprüfung auf die nächste Stufe heben kann.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung verschiedener Materialien im 3D-Druck ist die Möglichkeit, Farbabstufungen zu erzeugen. Durch das Mischen der Materialien in unterschiedlichen Verhältnissen lassen sich unterschiedliche Farbkombinationen und Farbtöne ohne nachträgliches Lackieren erzielen – das spart Zeit bei der Nachbearbeitung.

Wie funktioniert Multimaterial-3D-Druck?

Beim Multi-Material-3D-Druck können verschiedene Materialien in einem einzigen 3D-Druckobjekt verwendet werden. Während der Multi-Material-3D-Druck derzeit jedoch in der Lage ist, Materialien wie Thermoplaste und Polymere zu verarbeiten, ist die Kombination verschiedener Metalle oder Keramiken derzeit noch nicht möglich.

Heute bieten Unternehmen wie Stratasys und 3D Systems Multimaterial-3D-Drucklösungen für Prototyping- und Modellierungszwecke an. Das Multimaterial-System Connex von Stratasys bietet beispielsweise die folgenden Druckoptionen:

• Gemischtes Tablett :Mit dieser Option können Sie gleichzeitig mehrere Teile aus unterschiedlichen Materialien – und damit unterschiedlichen Eigenschaften – innerhalb eines einzigen Aufbaus herstellen. Die gemischte Tray-Option ist potenziell eine ideale Option für Unternehmen, die Prototypen mit hohem Volumen benötigen.
• Gemischter Teil: Multimaterial-3D-Drucker können auch Teile mit unterschiedlichen Eigenschaften in bestimmten Bereichen drucken. Darüber hinaus entfällt durch die Kombination von Materialien innerhalb eines Teils die Notwendigkeit, später separate Teile zusammenzubauen.
• Digitale Materialien: Durch das Mischen von zwei oder mehr Materialien werden digitale Materialien verwendet, um ein Objekt mit verbesserten Eigenschaften und einem verbesserten Erscheinungsbild zu erstellen, das nicht erreicht werden kann, wenn ein Teil in einem einzigen Material in 3D gedruckt wird.

Welche Technologien werden für den Multimaterial-3D-Druck verwendet?

Derzeit ist Material Jetting die am häufigsten verwendete Technologie für den Multimaterial-3D-Druck. Beim Materialstrahl scheiden Druckköpfe Tröpfchen eines lichtempfindlichen Materials (oder einer Mischung von Materialien oder unterschiedlichen Materialien durch verschiedene Druckköpfe) ab, die unter ultraviolettem (UV) Licht aushärten. Mit diesem Verfahren wird das Teil dann Schicht für Schicht erstellt.

Stratasys und 3D Systems sind die führenden Hersteller von Multimaterial-3D-Druckern auf Basis der Material Jetting-Technologie. Zum Beispiel funktioniert das Connex™ 3D-Drucksystem von Stratasys, indem zwei oder drei verschiedene Kunststoffmaterialien während des 3D-Druckprozesses gespritzt werden. Dies führt dazu, dass das fertige Teil gleichzeitig unterschiedliche Eigenschaften (wie Steifigkeit und Flexibilität) besitzt.

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

Derzeit sind die am weitesten verbreiteten Materialoptionen für den Multimaterial-3D-Druck acrylbasierte Photopolymerharze und Verbundwerkstoffe aus starren Kunststoffen und Elastomeren. 3D Systems beispielsweise hat im vergangenen Jahr einen neuen großformatigen Multi-Material-ProJet MJP 5600 3D-Drucker vorgestellt, der mit einer Reihe von Kunstharzen und deren Kombinationen arbeitet, um vollständig montierte Prototypen und komplexe Geometrien mit mehreren Materialeigenschaften zu erstellen.

Obwohl die mechanischen Eigenschaften der Materialien variieren können, stehen dank der Fortschritte bei 3D-Druckmaterialien auch Verbundwerkstoffe in technischer Qualität zur Verfügung.

Eine der neuesten Innovationen im Multi-Material-3D-Druck ist der Silikon-3D-Druck, eine Technologie, die von ACEO®, einer Tochtergesellschaft der Wacker Chemie AG und langjähriger Nutzer der RP-Plattform, entwickelt wurde. Die innovative Silikontechnologie von ACEO® ermöglicht die Herstellung von Silikonteilen mit unterschiedlichen Farben, Härten und Eigenschaften. Eine sinnvolle Anwendung hierfür ist die Herstellung von Silikonen mit isolierenden und leitfähigen Eigenschaften, da diese verwendet werden können, um ein zusammengesetztes Teil mit integrierter elektrischer Leitfähigkeit herzustellen.

Anwendungen des Multimaterial-3D-Drucks

Die Möglichkeiten des Multimaterial-3D-Drucks sind wirklich endlos und bieten eine Vielzahl von Anwendungsfällen in der Verbraucher-, Medizin- und anderen Industrie.

Derzeit wird der Multimaterial-3D-Druck hauptsächlich während der Produktentwicklung verwendet. So hat beispielsweise das Schwimmausrüstungsunternehmen Speedo die Technologie verwendet, um im Rahmen des Produktentwicklungszyklus Artikel wie Schwimmbrillen und andere Schwimmausrüstungen zu entwickeln. Mit dem Multimaterial-3D-Druck sind auch andere Produkte wie funktionale Prototypen von Dichtungen, Dichtungen, Reifen und Schuhsohlen möglich, wobei die Technologie verwendet wird, um das Design und die Funktion des Produkts vor der Produktion zu testen und zu verifizieren.

Da beim Multimaterial-3D-Druck durchscheinende und undurchsichtige Materialien kombiniert werden können, hat sich die Medizinindustrie die Technologie zu eigen gemacht, um realistische anatomische Modelle für Bildungszwecke sowie patientenspezifische Modelle für die präoperative Planung und Ausbildung zu erstellen. Die Technologie ermöglicht auch die Herstellung transluzenter Teile mit internen farbigen Strukturen, die zur Visualisierung von Flüssigkeitsströmungen oder zum Testen von Medizinprodukten verwendet werden können.

Maschinenbauingenieure in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie und anderen Industrien können den Multimaterial-3D-Druck verwenden, um funktionale Prototypen mit Endprodukt-Look (Farben, Etiketten usw.) zu erstellen. Darüber hinaus ermöglicht der Multimaterial-3D-Druck die Herstellung von Formen für kurze Spritzgussserien und Werkzeuge ohne Montageaufwand.

Ein interessantes Element des fortschrittlichen Multimaterial-3D-Drucks ist die Möglichkeit, Teile mit integrierten Funktionen zu erstellen, was insbesondere für elektronische Geräte nützlich ist. Nano Dimension Ltd. ist kürzlich ein Durchbruch bei der Entwicklung von Multimaterial-3D-Druckfarben gelungen. Leitfähige und dielektrische Tinten können jetzt gleichzeitig verwendet werden, um elektrisch funktionale Teile, Schaltungen und Antennen herzustellen.

Herausforderungen

Der Multimaterial-3D-Druck wird derzeit zwar hauptsächlich für den Prototypenbau eingesetzt, birgt jedoch ein enormes Potenzial für die Herstellung von Teilen aus unterschiedlichen Materialien und mit einer Kombination mechanischer Eigenschaften. Daher wird laufend daran geforscht, wie die bestehenden Herausforderungen für den Multimaterial-3D-Druck von Funktionsteilen gemeistert werden können.

Die Schwierigkeit besteht darin, einen skalierbaren und wiederholbaren Produktionsprozess zu entwickeln, der hochwertige Endteile aus mehreren Materialien liefern kann. Dies ist insbesondere für Metalle und Keramiken eine Herausforderung, da es klare physikalische Grenzen gibt, zwei Materialien miteinander zu verschmelzen, die beispielsweise unterschiedliche Schmelztemperaturen und andere Materialeigenschaften aufweisen.

Das in Belgien ansässige Unternehmen Aerosint behauptet jedoch, ein einzigartiges Multi-Material-Pulverbett-Verfahren entwickelt zu haben, um Endteile mit Metallen im Blickfeld herzustellen. Die mit Polymeren arbeitende Technologie steuert die Verteilung von zwei verschiedenen Pulversorten auf Voxel-Ebene, die dann zusammengesintert werden.

Vorausschau

Ein weiteres faszinierendes Forschungsgebiet ist das Multimaterial-Bioprinting, das einen revolutionären Einfluss auf Bereiche wie Tissue Engineering, regenerative Medizin und Biosensorik haben könnte.

Heute bietet der Multimaterial-3D-Druck jedoch enorme Möglichkeiten für die 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 sein, wie man erfolgreich zur Produktion von Endteilen mit integrierten Funktionen und verbesserten mechanischen Eigenschaften übergeht. Dieser forschungsstarke Entwicklungsbereich wird das Potenzial der additiven Fertigung zu neuen Horizonten erweitern.