Tworzenie innowacyjnych projektów w technologii Multi Jet Fusion

Druk 3D wprowadził ogromną rewolucję w dziedzinie produkcji i projektowania. Technologia ta nieustannie rozwija się, przynosząc coraz to nowsze techniki i metody. Szybkie prototypowanie (rapid prototyping) – bardzo obecnie popularna koncepcja pracy projektowej – jest inherentnie związane z technologią druku 3D, a sama technologia druku 3D jest nieodłącznym narzędziem w procesie szybkiego prototypowania – umożliwia przyspieszenie i usprawnienie samego procesu i zapewnia szereg innych korzyści.

Rapid prototyping, to metodologia pozwalająca na tworzenie fizycznych modeli części lub produktów na podstawie danych projektowych z komputera. Celem tego procesu jest umożliwienie projektantom, inżynierom i twórcom prototypów łatwego eksperymentowania z różnymi koncepcjami, weryfikowanie ich funkcjonalności oraz przyspieszenie rozwoju produktów. Ostatecznym celem jest stworzenie prototypu, który może być dokładnym odwzorowaniem docelowego produktu.

Połączenie paradygmatu szybkiego prototypowania i druku 3D stanowi potężne narzędzie, które wspiera innowacyjność, przyspiesza proces projektowania produktów i zmniejsza koszty rozwoju prototypów. Dlatego też są one ściśle ze sobą związane i stanowią integralną część współczesnego procesu projektowego i inżynieryjnego. Nie oznacza to jednak, iż rozwój tych technologii zatrzymał się. Cały czas technologie druku 3D są usprawnianie i pojawiają się również zupełnie nowe metody druku.

Multi Jet Fusion

Jedną z tych nowych technik druku 3D jest właśnie Multi Jet Fusion (MJF). Ta zupełnie nowa technologia integruje w sobie elementy druku SLS (Selective Laser Sintering – selektywne spiekanie laserowe) oraz… drukarek atramentowych. W poniższym artykule zgłębimy tę fascynującą technologię, która zdobywa coraz większą popularność w świecie przemysłu, dzięki swoim wyjątkowym możliwościom, pozwalającym na tworzenie trwałych, komponentów o precyzyjnych parametrach i skomplikowanych kształtach.

Multi Jet Fusion to nie tylko kolejny etap w ewolucji druku 3D. Niektórzy wskazują, że to wręcz przełom w podejściu do produkcji części i prototypów. Dzięki unikalnym procesom i możliwościom tej technologii, przed nami otwierają się nowe horyzonty w projektowaniu i wytwarzaniu. W dalszej części artykułu przyjrzymy się, jak działa technologia Multi Jet Fusion, a także, jakie są jej kluczowe zalety i zastosowania, oraz jakie są powody tego, że jest ona coraz częściej wybierana przez coraz więcej firm i inżynierów na całym świecie.

Zasada działania

MJF cechuje się pewnym podobieństwem do druku w technologii SLS. Druk 3D w tej technologii do tworzenia trójwymiarowych przedmiotów wykorzystuje laser o relatywnie dużej mocy i materiał w postaci proszku. Jak w innych metodach druku 3D model jest dzielony na cienkie, poziome warstwy. Na stół roboczy jest równomiernie rozprowadzany materiał w postaci proszku. Laser jest precyzyjnie kierowany na wybrane obszary warstwy proszku. Energia dostarczana przez laser jest na tyle duża, że powoduje stopienie lub spiekanie cząstek proszku, ale tylko w tych obszarach, które są naświetlane, zgodnie z modelem 3D. Po zakończeniu działania lasera na danej warstwie, stół opuszcza się o jedną warstwę niżej, a proces powtarza się. Dzięki temu, obiekt powstaje warstwa po warstwie ze stopionego proszku.

Technologia Multi Jet Fusion również realizuje drukowanie 3D z zastosowaniem proszku i ogrzewanej komory, która może być w całości użyta do tworzenia części – nie ma potrzeby stosowania dodatkowych podpór, jak to ma miejsce w przypadku innych procesów druku 3D. Tam, gdzie technologia SLS korzysta z lasera do spajania poszczególnych warstw proszku, MJF stosuje element grzewczy pracujący w podczerwieni (w postaci prostej nagrzewnicy, oświetlającej szeroki obszar) wraz ze specjalnymi tuszami, rozpylanymi z pomocą głowic, podobnych do tych, jakie znajdują się w drukarce atramentowej.

System rozpyla dwa rodzaje tuszów – spajający i tzw. detalujący. W miejscu, gdzie rozpylony został tusz spajający, podgrzane przez lampę podczerwoną drobinki, spajają się. Tusz detalujący natomiast pełni kilka ról w systemie. Od niego zależy powierzchnia drukowanego elementu. Schematycznie proces ten pokazano na rysunku 1. Tusz spajający zwiększa absorpcję materiału w podczerwieni, co powoduje, że w tym miejscu materiał pochłania więcej promieniowania z lampy podczerwonej, która naświetla warstwę po naniesieniu tuszy. Dzięki temu w tym miejscu zwiększa się temperatura, do poziomu, który pozwala na trwałe połączenie się roztopionych drobinek – w ten sposób powstaje kolejna warstwa drukowanego detalu.

Rysunek 1. Przebieg procesu drukowania w technologii Multi Jet Fusion

Podstawową rolą tuszu detalującego, jest zapewnienie, żeby drobinki otaczające spajany obszar nie połączyły się z drukowanym detalem. Podczas naświetlania warstwy tusz detalujący pochłania ciepło i odparowuje, dzięki temu chłodząc sam materiał. Zapewnia to ostre, dobrze zdefiniowane krawędzie drukowanego elementu i ułatwia jego odseparowanie od pozostałego materiału.

Następnie, po spojeniu proszku w danej warstwie, nanoszona jest kolejna warstwa proszku. Złoże, czyli objętość, w której znajduje się – zakopany w sproszkowanym materiale – drukowany detal, jest opuszczany o zaprogramowaną grubość warstwy – typowo pomiędzy 0,08 mm a 0,12 mm – a specjalna skrobaczka przesuwa się nad złożem, równomiernie pokrywając je świeżą warstwą proszku z podajnika. Po tym, cykl drukowania i nagrzewania promiennikiem podczerwieni powtarza się.

Zalety technologii MJF

Jedną z głównych zalet technologii SLS jest jej zdolność do tworzenia obiektów o skomplikowanych i swobodnych kształtach, bez konieczności stosowania dodatkowych struktur podtrzymujących w trakcie drukowania. Dodatkowo, drukowane obiekty są wyjątkowo trwałe i odporne na obciążenia mechaniczne. Analogicznie jest z drukiem MJF, który „dziedziczy” po SLS wszystkie swoje podstawowe własności.

Technologia druku 3D Multi Jet Fusion ma wiele innych zalet, które przyczyniają się do jej rosnącej popularności w różnych dziedzinach. Oto główne zalety druku MJF w porównaniu do druku SLS (Selective Laser Sintering) i FDM (Fused Deposition Modeling):

1. Szybkość produkcji – technologia druku MJF jest znacznie szybsza niż SLS i FDM. Proces polega na nanoszeniu warstw materiału za pomocą głowic drukujących, co pozwala na szybsze tworzenie części.
2. Wysoka rozdzielczość – technologia druku MJF oferuje na ogół wyższą rozdzielczość i precyzję druku, co pozwala na tworzenie części o dokładnych detalach i gładkich powierzchniach. To, co ogranicza druk to rozdzielczość głowicy drukującej, a ta wynosi 80 μm w większości systemów (dla porównania – drukarki FDM osiągają od 50 do 500 μm, przy czym większość tańszych drukarek jest klasyfikowana do tej drugiej wartości.
3. Brak konieczności stosowania podpór – w przeciwieństwie do druku FDM czy żywicowego, MJF nie wymaga stosowania podpór podczas procesu drukowania. To oznacza, że nie ma potrzeby usuwania podpór po druku, co oszczędza czas i pracę, a także pozwala zredukować ilość materiału potrzebnego do druku.
4. Szeroki wybór materiałów – MJF pozwala na wytwarzanie detali z różnorodnych materiałów, o różnych właściwościach funkcjonalnych i kolorach. To sprawia, że jest bardziej wszechstronny niż FDM i oferuje większą elastyczność w zakresie wyboru materiału.
5. Wyjątkowe właściwości materiałów – druk MJF pozwala na produkcję części z wyjątkowymi właściwościami, takimi jak elastyczność, odporność na wysoką temperaturę lub przewodnictwo cieplne, dzięki dodatkom zawartym w tuszach detalujących. Dodatkowo, wydruki MJF mają w pełni izotropowe własności mechaniczne – ich wytrzymałość jest tak samo wysoka w każdym kierunku.
6. Wysoka jakość wykończenia – technologia ta oferuje bardzo dobre wykończenie powierzchni, co sprawia, że drukowane części wyglądają estetycznie i nie wymagają dodatkowej obróbki. Dodatkowo, zastosowanie różnych tuszy pozwala uzyskać różne efekty na powierzchni.
7. Zastosowania w prototypowaniu i produkcji – MJF jest używane zarówno do tworzenia prototypów, jak i produkcji elementów ostatecznych produktów. Oferuje drukowane elementy o wysokiej jakości, które nadają się do użytku końcowego.
8. Oszczędność kosztów – druk MJF jest efektywny kosztowo, zwłaszcza w produkcji średnich i dużych serii, dzięki wysokiej szybkości produkcji i wydajności materiałów.

Rodzaje drukowanych materiałów

Technologia Multi Jet Fusion pozwala na drukowanie z użyciem szerokiej gamy tworzyw. Główne materiały, jakie stosowane są w druku MJF to:

• Nylon PA12,
• Nylon PA12 wzmacniany szklanymi mikrosferami,
• Nylon PA11,
• Polipropylen,
• Poliamidy.

Dodatkowo, dostępna jest pewna liczba specjalnych, elastycznych materiałów, takich jak:

• TPU – termoplastyczny poliuretan,
• TPA – termoplastyczne amidy.

Kilka firm (BASF, HP, Evonik, Lubrizol) produkuje w/w materiały, dlatego mogą one różnić się pomiędzy sobą parametrami gotowych detali.

Druk w kolorze?

Dzięki możliwości zastosowania różnych tuszy jednocześnie w drukarkach MJF możliwy stał się druk w kolorze. Wystarczy, że jeden z tuszy zastąpi się trzema, w trzech, komplementarnych kolorach. Istotnie zwiększa to elastyczność tej technologii. Na rysunku 2 pokazano przykładowy wydruk MJF w kolorze.
Tusz detalujący (lub funkcjonalny) odgrywa kluczową rolę w technologii druku 3D MJF. Rola tuszu detalującego jest związana z nadawaniem ostatecznym produktom pożądanych właściwości i wykończenia.

Rysunek 2. Przykład elementu wydrukowanego w technologii Multi Jet Fusion w kolorze

Główne funkcje tuszu detalującego w druku MJF to:

• Nadawanie koloru i tekstury wykończenia – tusz detalujący może zawierać różne dodatki, takie jak barwniki, które nadają ostatecznym produktom kolor oraz estetyczne i wizualne wykończenie. Dzięki temu tusz detalujący pozwala na drukowanie przedmiotów w różnych kolorach i teksturach, co jest przydatne w przypadku produkcji prototypów ostatecznych produktów lub elementów zewnętrznych.
• Nadawanie właściwości funkcjonalnych – tusze detalujące mogą zawierać dodatki mające wpływ na właściwości ostatecznych produktów. Na przykład, można dodać materiały, które nadają przedmiotom elastyczność, odporność na wysoką temperaturę lub inne właściwości. To pozwala na dostosowanie wydrukowanych elementów do konkretnych zastosowań.
• Wytwarzanie struktury – tusz detalujący może być używany do tworzenia struktury wewnętrznej lub mikrostruktury na powierzchni drukowanego elementu. Jest to przydatne do uzyskania określonych właściwości, takich jak niska waga, zwiększona wytrzymałość mechaniczna lub przewodnictwo cieplne.
• Drukowane oznaczenia i etykiety – tusz detalujący może być użyty do nanoszenia oznaczeń, etykiet lub informacji na wydrukowanych częściach. To przydatne w przypadku produkcji elementów z oznaczeniami, takimi jak numery seryjne, kody kreskowe czy logo firmy.
• Podkreślenie detali – tusze detalujące pozwalają na podkreślenie drobnych detali i tekstur na powierzchni drukowanych elementów. Dzięki temu można uzyskać wysoce szczegółowe modele 3D.

Podsumowując, tusz detalujący w druku MJF to kluczowy element procesu, który pozwala dostosować wydrukowane części do określonych potrzeb, nadając im kolor, właściwości funkcjonalne, teksturę i inne cechy. Dzięki temu technologia MJF może być wszechstronna i przydatna w wielu różnych zastosowaniach, od prototypowania po produkcję elementów do finalnych produktów.

Wady i problemy techniczne

Druk 3D z użyciem Multi Jet Fusion nie rozwiązuje wszystkich problemów. Główne wady techniki MJF to:

• ograniczona jakość druku – warstwy są często widoczne na obiekcie, a aby uzyskać gładką powierzchnię, konieczne jest szlifowanie po wydrukowaniu;
• wysokie koszty produkcji – w technologii druku FDM koszty materiałów w minimalny sposób wpływają na ogólny koszt produkcji komponentów (z głównymi wyjątkami – jeżeli chodzi o produkcję nietypowych obiektów lub obiektów o zwisających kształtach);
• długi czas produkcji – druk MJF to jedna z najbardziej czasochłonnych technologii druku w przemyśle. Drukowanie elementów 3D czasem trwa nawet kilka dni.

Podsumowanie

W artykule omówiono zaawansowaną technologię druku 3D znaną, jako Multi Jet Fusion (MJF). Charakteryzuje się ona wysoką jakością wydruków i możliwością produkcji skomplikowanych elementów. Proces druku MJF polega na aplikowaniu cienkich warstw proszku polimerowego, które są następnie zespalane przy użyciu energii cieplnej i promieniowania podczerwonego, których przepływ w złożu spajanego materiału regulowany jest za pomocą specjalnych tuszy, nanoszonych na warstwy.

Wartościową cechą tej technologii jest możliwość drukowania bez konieczności stosowania dodatkowych podpór, co zwiększa efektywność produkcji. Druk MJF cechuje się wysoką precyzją, umożliwia tworzenie delikatnych detali i ma zdolność do produkcji elementów o skomplikowanych kształtach. Dodatkowo, dzięki możliwości użycia kolorowych tuszów możliwe jest drukowanie kolorowych detali, czy też modyfikacja tekstury powierzchni drukowanego elementu.

Technologia MJF jest wyjątkowo przydatna w wielu branżach, w tym w przemyśle lotniczym, medycynie, motoryzacji i wielu innych. Pozwala na prototypowanie, produkcję części zamiennych oraz tworzenie innowacyjnych projektów. Druk MJF jest coraz bardziej popularnym rozwiązaniem w dziedzinie produkcji addytywnej i zapewnia wysoką jakość i wytrzymałość wytwarzanych komponentów.

Nikodem Czechowski, EP

Bibliografia

1. https://imaginarium.io/
2. https://www.additivemanufacturing.media
3. https://www.protolabs.com/
4. Yue Wang, Zhiyao Xu, Dingdi Wu, Jiaming Bai, „Current Status and Prospects of Polymer Powder 3D Printing Technologies”, Materials 13 (2020).
5. Chao Caia, Wei Shian Teya, Jiayao Chena, Wei Zhub, Xingjian Liuc, Tong Liud, Lihua Zhaoa, Kun Zhoua „Comparative study on 3D printing of polyamide 12 by selective laser sintering and multi jet fusion”, Journal of Materials Processing Tech. 288 (2021).
6. Aman Preet Singh, Salman Pervaiz „Current status and prospects of multi-jet fusion (MJF) based 3d printing technology”, Proceedings of the ASME 2021 International Mechanical Engineering Congress and Exposition IMECE2021.