Die Entwicklung der 3D-Drucktechnologie von HP:Von Polymer zu Metall AM 

HP treibt seine 3D-Druckstrategie auf Hochtouren. Seit seinem ersten Ausflug in die Additive Fertigung (AM) im Jahr 2016 hat das Unternehmen mehrere Polymer-3D-Drucksysteme auf den Markt gebracht und kürzlich die Metal Jet-Technologie eingeführt.

Um mit den Fortschritten im HP 3D-Druck Schritt zu halten, untersuchen wir im Folgenden die Entwicklung seiner Technologie und was sie für die Zukunft der 3D-Druckindustrie bedeutet.

Eintauchen in den 3D-Druck 

Der 3D-Druck hat viele Eintrittsbarrieren, aus wirtschaftlicher, technologischer und personeller Sicht.

Zum Beispiel hinken viele industrielle 3D-Drucker in Bezug auf Geschwindigkeit und Effizienz immer noch den herkömmlichen Geräten hinterher. Dann gibt es auch eine steile Lernkurve für das Beherrschen von AM. Aber das größte Hindernis für die Einführung liegt vielleicht in den erheblichen Investitionen, die erforderlich sind, um AM in die Produktion zu integrieren.

HP begann seine AM-Reise zur Demokratisierung des 3D-Drucks, indem es Unternehmen radikal schnellere Baugeschwindigkeiten, hochwertige Funktionsteile und eine bahnbrechende Wirtschaftlichkeit ermöglichte.

Diese Reise führte zur Einführung von Multi Jet Fusion im Jahr 2016. 

HP Multi Jet Fusion (MJF) ist eine Powder Bed Fusion (PBF)-Technologie, was bedeutet, dass Kunststoffpulver zur Herstellung von Teilen verwendet wird. Der MJF-Prozess beginnt mit dem Verteilen einer dünnen Pulverschicht auf dem Druckerbett.

Ein Schmelzmittel, das Infrarotenergie absorbiert, wird über das Bett gespritzt und zeichnet die Konturen des Teils nach.

Diesem Schritt folgt das Aufbringen des Infrarotlichts, das die Bereiche mit dem Schmelzmittel erwärmt, schmelzen und das Pulver in diesen Bereichen aufschmelzen. Schicht für Schicht wiederholt sich der Vorgang und baut das Teil langsam auf.

HP hat mit seiner MJF-Technologie einen neuen Maßstab im Polymer-PBF-3D-Druck eingeführt. Zum einen erzielen MJF-Maschinen konsistentere mechanische Eigenschaften, eine schnellere Prozessgeschwindigkeit und eine höhere Genauigkeit als ähnliche Prozesse wie das selektive Lasersintern (SLS).

Beim Kostenvergleich der MJF- und SLS-Teile, Xometry, ein Online-Marktplatz für die Fertigung, stellte fest, dass die Herstellung eines Teils mit MJF 30 Prozent weniger Druck kostet als sein SLS-Pendant. Und dieser Unterschied nimmt mit zunehmendem Volumen der Teile zu, da der HP MJF-Drucker mehrere Teile gleichzeitig drucken kann.

Auf dem Weg zum industrialisierten Polymer-3D-Druck 

In vielerlei Hinsicht revolutionär, war die MJF-Technologie von HP von Anfang an auf funktionales Prototyping und Serienfertigung ausgerichtet.

Das erste Jet Fusion (JF) 3D 4200 System des Unternehmens, das Ende 2016 auf den Markt kam, hat sich den Ruf als eine der besten Kleinserien-Produktionsmaschinen in seiner Klasse von PBF-Systemen erworben.

Das JF 4200-System besteht aus Drucker, Kühlstation und zwei Baueinheiten und zielt darauf ab, die Druck- und Weiterverarbeitungsschritte so weit wie möglich zu rationalisieren.

Die austauschbaren Baueinheiten sind besonders praktisch, da sie einen kontinuierlichen Druckprozess ermöglichen, indem sie direkt nach Druckende vom Drucker zum Kühlen und Reinigen in die Nachbearbeitungsstation gefahren werden können.

Dank der Fokussierung auf Produktion und Qualität wurde das System vom Markt gut angenommen. Im Bericht zu Digital Manufacturing Trends Q2/2018 von 3D Hubs, der globalen Manufacturing-as-a-Service-Plattform, wurde der HP Jet Fusion 3D 4200 beispielsweise auf Platz 2 der Druckerqualitätsbewertung eingestuft, und die Maschine belegte den ersten Platz in in Bezug auf die Anzahl der produzierten Teile in diesem Jahr.

In Bezug auf die Anwendungen sind die Fähigkeiten des JF 4200-Systems breit gefächert. Es kann für alles verwendet werden, von funktionalen Prototypen über Werkzeuge bis hin zur Kleinserienfertigung von Endverbrauchsteilen.

Ein bemerkenswertes Beispiel dafür, was mit dem JF 4200-System möglich ist, ist die Ankündigung einer Partnerschaft von HP mit SmileDirectClub im letzten Jahr, einem Hersteller von transparenten Zahnkorrekturgeräten, sogenannten Clear Alignern.

Durch diese Partnerschaft hat SmileDirectClub 49 HP Jet Fusion 3D-Drucksysteme installiert, um täglich über 50.000 einzigartige Formen herzustellen. Diese Formen werden dann verwendet, um klare Aligner zu gießen.

Mit seiner Technologie hat HP 3D Printing dem SmileDirectClub geholfen, sein Wachstum zu beschleunigen und die steigende Kundennachfrage zu erfüllen.

Eintritt in die Arena des Vollfarb-3D-Drucks 

Nach der Veröffentlichung des JF 4200-Systems kam 2018 mit der Einführung der Vollfarb-3D-Druckerserie Jet Fusion 300 / 500 die nächste große Ankündigung auf den Markt.

Genau , erschwinglicher 3D-Farbdruck ist das Endziel vieler Hersteller, von denen viele unzählige Stunden damit verbringen, ihre 3D-Drucke nachher zu färben Sie haben das Druckbett verlassen. Eine bessere Lösung – aber eine, die kostspielig und exklusiv für eine ausgewählte Reihe von AM-Systemen war – ist einfach der 3D-Druck von Objekten in Vollfarbe.

Die neue Serie, die von HP entwickelt wurde, ergänzt das bestehende Sortiment von industrielle 3D-Drucker, die derzeit nur in Grau drucken und eine erschwingliche Option für kleine oder mittelständische Produktentwickler bieten.

Indem sie den Vollfarb-3D-Druck auf den Tisch bringen, ist die neue Serie auch eine klare Konkurrenz für bestehende Maschinen von Stratasys und 3D Systems.

Die nächste Stufe:Additive Fertigung in der Massenproduktion

Im Jahr 2018 hatte HP Berichten zufolge einen Meilenstein von 10 Millionen produzierten Teilen mit seiner Technologie erreicht. Doch damit wollte das Unternehmen nicht aufhören. HP wollte noch weiter gehen und die neue Ebene der Massenfertigung im 3D-Druck erschließen.

Der Einsatz von 3D-Druck in der Serienproduktion war einer der wichtigsten Trends, die die Branche in den letzten Jahren geprägt haben. Da Unternehmen immer mehr Anwendungen für die Technologie in der Produktion finden, verlangen sie nach Lösungen, die steigende Produktionsmengen unterstützen können.

Während viele Akteure auf dem Markt Lösungen zur Erhöhung des Durchsatzes entwickelt haben, war wohl keiner so schnelllebig wie HP.

2019 war ein weiteres bedeutsames Jahr für HP, als das Unternehmen die neue produktionsorientierte 5200-Serie seiner MJF-3D-Drucker auf den Markt brachte.

Während die 3D-Drucker der Serie 500/300 auf funktionale Prototypen und die Serie 4200 auf die Kleinserienproduktion ausgerichtet sind, hat die neueste Serie ein neues Kapitel in der Geschichte des 3D-Drucks bei HP aufgeschlagen – Volumen Herstellung, mit Genauigkeit und Wiederholbarkeit, vergleichbar mit Spritzguss.

Zu den bemerkenswertesten Merkmalen der 5200-Serie gehört die verbesserte Leistung der Lampen in den 5200 3D-Druckern. Dies ermöglicht es dem neuen System, Pulver in einem einzigen Durchgang zu schmelzen, im Gegensatz zu einem Zweidurchgangsmodus bei den vorherigen Systemen. Dadurch verbessert das System die Produktivität um 40 Prozent und eröffnet Möglichkeiten für den 3D-Druck von Hochtemperaturmaterialien.

Mehrere Unternehmen setzen bereits die Jet Fusion 5200-Systeme von HP für Produktionsanwendungen ein. Ein Beispiel ist der Windturbinenhersteller Vestas, der die Technologie und das TPU-Material verwendet, um Schutzkomponenten für seine Windradflügel herzustellen.

Darüber hinaus arbeitet auch der kanadische Helmhersteller Kupol mit dem System, um sicherere und komfortablere Helme in 3D zu drucken. HP selbst nutzt seine Technologie zur Herstellung von Komponenten für seine anderen Druckmaschinen.

Die neuen Systeme erweitern eindeutig die AM-Aktivitäten von HP und ermöglichen seinen Kunden, die digitale Fertigung wirklich zu nutzen.

Roadmap für 3D-Druckmaterialien von HP 

Die 3D-Druck-Roadmap von HP hat das Unternehmen schrittweise vom Prototyping und der Kleinserienfertigung zur additiven Serienfertigung geführt.

Während Hardware bei diesem Fortschritt eine große Rolle spielt, wäre es schwierig, wenn nicht unmöglich, MJF ohne die ständige Entwicklung neuer Materialien optimal zu nutzen.

Als MJF 2016 erstmals eingeführt wurde, war die Technologie auf ein Material beschränkt – Polyamid 12 (PA12), auch bekannt als Nylon. Nach und nach hat HP sein Materialportfolio um ein breiteres Spektrum an Thermoplasten erweitert.

Zum Beispiel kann die Serie 4200 heute in verschiedenen Nylonarten drucken, darunter PA 11 und PA 12 Glass Beads, ein zu 40 Prozent mit Glasperlen gefülltes Nylon sowie ein flexibles und weiches TPU Material.

Während die meisten dieser Materialien in der neuesten 5200-Serie verfügbar sind, wurde kürzlich ein Material, Polypropylen (PP), speziell für die neuesten 3D-Drucker auf den Markt gebracht.

Das in Zusammenarbeit mit der BASF entwickelte PP ist ein vielseitiger, langlebiger und chemikalienbeständiger Thermoplast, der die gleichen Eigenschaften wie im Spritzguss übliche PPs aufweist, einschließlich chemischer Beständigkeit, geringer Feuchtigkeitsaufnahme und langer Begriff Haltbarkeit.

Dank dieser Eigenschaften eignet sich PP besonders für Kunden aus den Bereichen Automobil, Konsumgüter, Industrie und Medizin.

Hohe Wiederverwendbarkeit der Materialien von HP 

Besonders spannend an den Materialien von HP ist ihre hohe Wiederverwendbarkeit.

Bei Polymer-PBF ist das Pulver, das das gedruckte Teil umgibt, das gleiche Material, das zum Drucken eines Teils verwendet wird, und ist in der Regel teuer. Dies wäre natürlich kein Problem, wenn das Pulver zu 100 Prozent wiederverwendet werden könnte, was derzeit unmöglich ist.

Ein Grund dafür ist, dass Polymere in PBF-Prozessen lange hoher Hitze ausgesetzt sind Perioden und unterliegen somit chemischen Veränderungen, die ihre Sintereigenschaften viel weniger vorhersagbar machen. Derzeit besteht die einzige Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, darin, "gebrauchtes, aber nicht verschmolzenes" Pulver mit Neupulver zu mischen, um es wiederverwendet zu werden.

Im SLS-Verfahren nur etwa 30 bis 50 Prozent des Pulvers können recycelt werden, während bei MJF bis zu 80 Prozent des Pulvers wiederverwendet werden können. Diese hohe Wiederverwendbarkeit des Pulvers wird durch Materialinnovationen erreicht.

HP 3D High Reusability PA 122 beispielsweise wurde entwickelt, um molekulares Wachstum zu vermeiden, während das Material mit der Zeit der Temperatur ausgesetzt wird. Diese Materialien sind als mittel- bis niedrigreaktive Materialien bekannt und können bis zu 80 Prozent wiederverwendet werden, ohne das Material zu verschlechtern und folglich die Teilequalität nicht zu beeinträchtigen.

HP plant, die Materialpalette weiter auszubauen noch weiter und liefert eine breitere Familie von Thermoplasten, einschließlich solcher mit flammhemmenden Eigenschaften, Elastomere, Polyamide, Standardkunststoffe und Hochleistungsmaterialien.

Entscheidend für diesen Fortschritt wird die HP Multi Jet Fusion Open Platform sein, die Chemieunternehmen einlädt, bei der Materialentwicklung zusammenzuarbeiten, um die Materialinnovation zu beschleunigen.

Die neue Grenze:Metall-3D-Druck

In seiner relativ kurzen Präsenz auf dem Polymer-3D-Druck-Markt hat sich HP als agiler und ehrgeiziger Disruptor etabliert. Jetzt bewegt sich das Unternehmen in Richtung der nächsten Grenze – dem Metall-3D-Druck.

Die nächste Erweiterung seines Additivangebots, die 2018 eingeführt wurde, ist ein Metal Jet 3D-Drucksystem mit Binder-Jetting-Technologie.

Beim Metal Binder Jetting wird ein flüssiges Bindemittel selektiv aufgetragen, um Pulverpartikel Schicht für Schicht zu verbinden.

Der Prozess beginnt mit dem Auftragen einer dünnen Pulverschicht, wobei die Druckköpfe Bindemitteltröpfchen strategisch auf das Pulverbett auftragen. Die Druckplatte senkt sich dann ab und eine weitere Pulverschicht wird aufgetragen.

Der einzigartige Vorteil, den HP bei dieser Technologie eingeführt hat, liegt jedoch in seiner innovativen Druckkopf- und Tintentechnologie.

Obwohl die Binder Jetting-Technologie von Natur aus schnell ist, hat HP sein Wissen über die Druckkopftechnologie genutzt, um sie noch schneller zu machen. Das Metal Jet System ist mit 6 Druckköpfen mit jeweils 5.280 Düsen ausgestattet. Diese mehreren Düsenreihen führen zu einer höheren Produktivität und Zuverlässigkeit des Druckers.

Darüber hinaus hat HP durch die Nutzung seines Know-hows in der Tintentechnologie ein innovatives Bindemittel entwickelt, das den Sinterprozess schneller und kostengünstiger macht.

‘Beim Metallspritzguss müssen typischerweise mehr als 10 Gew.-% Bindemittel ausgebrannt werden. In unserem Fall haben wir weniger als 1%, was eine Größenordnung weniger ist, was das Sintern schneller, kostengünstiger und viel einfacher macht“, sagt Tim Weber, Global Head of Metals bei HP, in einem Interview mit AMFG .

Diese Fortschritte, kombiniert, führen zu einem Metall-3D-Drucker, der Einsparungen und Effizienzen erzielen soll, die mit herkömmlichen Produktionstechnologien vergleichbar sind.

HP verkauft die Maschine jedoch noch nicht. Stattdessen hat das Unternehmen einen Teileproduktionsservice ins Leben gerufen, um den 3D-Drucker im Jahr 2021 kommerziell verfügbar zu machen. 

In Anbetracht der Behauptungen von HP über Metal Jet könnte diese Technologie der Schlüssel zur Erschließung eines nachhaltigen Wertversprechen für den Metall-3D-Druck in der Großserienfertigung.

Eine Branche, die besonders von dieser Technologie profitieren könnte, ist die Automobilindustrie. Volkswagen arbeitet seit zwei Jahren mit HP an seiner Metall-3D-Drucktechnologie zusammen, um mit Metal Jet gedruckte Strukturteile wie Schaltknäufe und Spiegelhalterungen in die nächste Generation seiner Fahrzeuge zu integrieren.

Die digitale Fertigung vorantreiben 

HP ist vielleicht nicht der älteste Player in der 3D-Druckbranche, aber es erweist sich als der Player, der fest entschlossen ist, zum Marktführer zu werden.

Der Beweis dafür ist nicht nur die ehrgeizige 3D-Druck-Roadmap von HP, sondern auch das volle Vertrauen in seine Technologie. Dieses Vertrauen ermöglicht es HP beispielsweise, den 3D-Druck als Teil seiner Lieferkette zu verwenden und Teile für seine 3D-Drucker herzustellen.

Das Unternehmen setzt seither auf den 3D-Druck als digitale Fertigungstechnologie es testete zuerst die Gewässer dieser Industrie. Jetzt steigert HP seine Dynamik im 3D-Druck, und es wird spannend sein zu sehen, wohin es sowohl das Unternehmen als auch die Branche führen wird.