3D-Druck mit Material Jetting-Materialien von Cubic Ink

Inkjetversuchsstand: Zu sehen sind vier Printbars (1 bis 4), die jeweils aus zwei Piezodruckköpfen bestehen. Jede Printbar kann entweder eine Farbe oder ein Material drucken.

Andre Salie
Head of Business Development bei Altana New Technologies-Cubic Ink®

„Die Wurzeln von Cubic Ink® liegen im Material Jetting, auch wenn wir unser Portfolio mittlerweile um viele Materialien für die VAT-Polymerisation erweitert haben. Hier möchte ich das Material zur Herstellung von One-Shot-Molds für Cast- und Spritzgießformen, niedrigviskoses ESD-Material für Raumtemperatur- und Hochtemperaturanwendungen, hervorheben. Trotzdem sehen wir die Vorteile des Material Jettings und suchen im Markt nach Projekten in diesem Bereich, um mit unserem Know-how diese Form des 3D-Drucks ebenfalls voranzubringen.“

Inkjet ist in vielen Bereichen bereits eine etablierte Technologie. Aus grafischem Druck, Verpackungs-, Dekor- und Kennzeichnungsdruck ist die Technologie nicht mehr wegzudenken. Die Idee, eine Beschichtung mittels einer Düse auf eine Oberfläche kontaktlos aufzubringen, ist recht alt. 1907 erhielt der Norweger Christian K. Nelson ein Patent für ein Spritzlackiergerät, mit dem unter Verwendung von Druckluft Farbe aufgetragen werden konnte. In den 1930er Jahren hielt die Spritzlackierung Einzug in die Automobilindustrie.

Hier war man vom Inkjet noch weit entfernt. Erst 1987 konnte man mit dem HP PaintJet dann in Farbe Inkjet drucken und mit dem HP Deskjet 1988 auch in einer Auflösung von 300 dpi (dots per inch). Die Entwicklung im Bereich der Inkjetdruckköpfe wurde immer schneller und heute ist es möglich, gezielt Tintentropfen mit definierten unterschiedlichen Volumina von 2 pl (Pikoliter) bis zu über 200 pl auf sich schnell bewegende Medien zielgenau zu feuern, um hochaufgelöste Motive mit über 1.300 dpi geschlossene Schichten oder haptische Effekte zu drucken. Die Stärke des Inkjetverfahrens ist die ziel- und volumengenaue, dabei berührungslose Positionierung eines Mediums auf einem anderen.

Diese Möglichkeit, Flüssigkeitsmengen punkt- und volumengenau zu steuern, ergeben für den 3D-Druck hervorragende Möglichkeiten, Objekte mit feinsten Details und gleichmäßigen Oberflächen herzustellen, und das nicht nur mit einem Material wie in VAT-basierten Verfahren, sondern mit mehreren Materialien oder alternativ mit mehreren Farben.

Im Inkjet gedrucktes Modell einer menschlichen Gefäßanomalie. Links das Objekt nicht komplett aus dem Support-(Stütz-)material herausgelöst, rechts freigestellt. Solche Objekte bieten, basierend auf dem Scan eines Patienten, dem Operateur die Möglichkeit, vor der Operation an Modellen die Operationsstrategie zu planen. Das Objekt hat weiche und harte Zonen wie ein echtes Gefäß.

Verschiedene Arten von Material Jetting

Das Inkjetverfahren hat sich in viele Richtungen diversifiziert. Neben den Unterschieden im Auftragsverfahren an sich, also mit welcher Düse aufgetragen wird, werden die verschiedensten Medien verarbeitet, abhängig von der Endanwendung.

Beim Continuous Inkjet wird ein permanenter Tintenstrahl erzeugt. Dieser passiert einen Heizring in der Düse, den die Tinte auf dem Weg auf den Bedruckstoff passieren muss. In Sekundenbruchteilen wird der Heizring auf mehrere hundert Grad erhitzt. Die Hitze verändert die Viskosität im Flüssigkeitsstrahl und unterbricht ihn. Damit wird der Tintenstrahl in Tröpfchen zerlegt, die auf einen Druckträger gelenkt werden.

Beim Drop-on-Demand-Verfahren werden Tintentropfen auf zwei andere Weisen erzeugt. Piezodruckköpfe enthalten eine Vielzahl kleinster Kammern, deren Wände von Piezoelementen gebildet werden. Elektrisch angesteuert verformen sich die Piezoelemente. Wenn auf diese Weise das Volumen einer Kammer verkleinert wird, entsteht Druck auf die sich in der Kammer befindliche Flüssigkeit und sie wird durch den Düsenauslass als Tropfen herausgedrückt.

Thermale Druckköpfe haben auch Kammern, in diesen befindet sich jedoch ein Heizelement gegenüber dem Düsenauslass, die Wände der Kammern sind in diesem Fall unbeweglich. Das Heizelement wird in Millisekunden auf mehrere hundert Grad erhitzt. Damit entsteht eine Blase in der Kammer, die Druck auf die Flüssigkeit ausübt und zum Austritt eines Tintentropfens aus der Düse führt.

Das Continuous-Verfahren ist gut geeignet für Anwendungen, in denen hohe Produktionsgeschwindigkeiten, also viele Tropfen pro Zeiteinheit, benötigt werden, ist jedoch in der Druckauflösung begrenzt.

Der thermale Inkjet zeigt gute Auflösungen, allerdings sind nicht alle Fluide für dieses Verfahren geeignet, da das Aufheizen im Druckkopf zu Reaktionen in der Tinte führen kann. Typische Anwendungen für thermalen Inkjet finden sich in Tintenstrahldruckern für zu Hause, aber auch im industriellen Bereich in großformatigen Druckmaschinen. Die Druckköpfe im thermalen Inkjet sind preiswert und im Grunde Verbrauchsmaterial.

Piezodrucker erzeugen die Tintentropfen auf mechanischem Weg (Piezoelemente) und erzeugen damit weniger Stress für die Tinte, weshalb hier temperatursensible Fluide eingesetzt werden können. Sie erzeugen sehr hohe Auflösungen und können mittlerweile für hohe Produktionsgeschwindigkeiten eingesetzt werden.

Allerdings sind diese Köpfe teuer und müssen gut gewartet werden, damit sie eine lange Lebensdauer erreichen. Was diese Technologie für die Industrie interessant macht, sind im Wesentlichen zwei Eigenschaften. Da weder physische Druckträger, z. B. eine Druckplatte, und auch keine langen Einrichtezeiten benötigt werden, ist eine kontinuierliche Produktion möglich. Außerdem ist es ein berührungsloses Druckverfahren. Damit lassen sich verschiedenste schwierige Oberflächen und Materialien bedrucken.

Im Inkjet gedruckte Objekte auf der Bauplattform, umgeben vom weißen Supportmaterial.

Materialherausforderungen

Aber auch das Material Jetting birgt Herausforderungen. Bevor eine Tinte aus der Düse eines Druckkopfes austritt, legt sie einen langen Weg zurück. Der Druckkopf, der oft mit anderen Druckköpfen zusammen zu einer Printbar zusammenmontiert wird, steht am Ende des Prozesses. Inkjetdruck benötigt immer Tintenversorgungssysteme. Dort wird die Tinte kontinuierlich temperiert. Sie zirkuliert zwischen Druckkopf und Vorratstank. Dadurch wird sie in Bewegung gehalten, um in diesen sehr niedrigviskosen Fluiden z. B. Pigmente in der Schwebe zu halten. Mit einer Viskosität von 4 bis 15 cP (Centipoise) liegt eine wässrige Inkjettinte über der Viskosität von Wasser (1 cP bei Raumtemperatur), ist aber immer noch sehr dünnflüssig. Das ist notwendig, denn die Raumverhältnisse sind recht eng bemessen. Der durchschnittliche Durchmesser einer Inkjetdüse liegt bei 20 bis 50 µm. Der Durchmesser der Flüssigkeitskanäle in einem Inkjetdruckkopf liegt noch darunter. Bei diesen Dimensionen können Pigmentagglomerate oder schlecht zerkleinerte Pigmente die Inkjetdüse oder die Zirkulationskanäle verstopfen und damit zu Düsen- oder sogar Ausfall eines ganzen Druckkopfes führen.

Weiterhin führen Feststoffe in einer Flüssigkeit zur Viskositätserhöhung, da die Feststoffe benetzt sein wollen. Damit war bisher der Konzentration von Feststoffen in Inkjettinten eine recht niedrige Grenze gesetzt. Die Herausforderung für die Tintenformulierer bestand also darin, eine Tinte so zu bauen, dass sich Pigmente oder andere Feststoffe nicht absetzen und die Viskosität über eine lange Zeit im System stabil bleibt, um die Funktionalität des Drucksystems zu gewährleisten.

Auch Cubic Ink musste diese Herausforderung meistern, als Tinten für ein spezielles Inkjetsystem entwickelt wurden. Dieses Drucksystem bestand aus fest installierten Printbars, die auf eine rotierende Plattform gedruckt haben. Die Plattform konnte in Z-Richtung bewegt werden und auf diese Weise wurden mit UV-härtenden Tinten dreidimensionale Objekte im Inkjetverfahren hergestellt. Die zusätzliche Hürde in diesem Fall ergab sich durch die Erstellung dreidimensionaler Objekte mit Überhängen. Mit einer Supporttinte kann das gelingen. Diese muss wie die Objekttinte gut verdruckbar sein, sie muss für lange Zeit im System ohne Viskositätsveränderungen verbleiben und problemlos zirkulieren können, sie darf sich nicht mit der Objekttinte im Druck vermischen, um glatte Oberflächen zu erzeugen und sie muss sich anschließend möglichst mit Wasser vom Objekt lösen lassen, um es freizugeben.

Cubic Ink hat diese Herausforderung gemeistert und mit Cubic Ink Rigid, Tough, Flexible, Clear und High Performance Tintenfamilien entwickelt, die sich gut verarbeiten lassen und Objekte mit guten mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften ergeben.

Zusätzlich lässt die Entwicklung neuer Generationen von Inkjetdruckköpfen mittlerweile höhere Viskositäten bis zu 1.000 mPas (Millipascal-Sekunden, bei Zimmertemperatur) zu, was dem Tintenentwickler mehr Freiheitsgrade hinsichtlich der Rohstoffauswahl und Feststoffkonzentration gewährt. Damit wird das Inkjetverfahren interessant für Anwendungen, die vorher aufgrund der benötigten höheren Viskositäten nicht betrachtet wurden.

Im Inkjet gedruckte Steckverbinderkomponente aus einem Cubic Ink Tough Material.

Welche Chemie wird im Inkjet verarbeitet?

Moderne Inkjetdruckköpfe können alle gängigen Bindemittelsysteme verarbeiten, müssen aber auf die jeweilige Chemie angepasst sein. Wasser- und Lösemitteltinten eignen sich weniger für die Herstellung dreidimensionaler Objekte, da die zu erzielenden Schichtdicken zu dünn sind. Diese physikalisch trocknenden Systeme stellen auch eine Herausforderung an den Druckprozess dar, sie sollen nicht schon am oder sogar im Druckkopf antrocknen, was zu Druckproblemen führen würde. UV-basierte Tinten sind für den 3D-Druck dagegen gut geeignet. Aufgrund ihrer höheren Viskosität können hohe Schichtstärken aufgetragen werden und die Bestrahlung mit UV-Licht führt zu einer sofortigen Teilpolymerisation, man kann sie quasi in einer Position einfrieren. Damit lassen sich gut dreidimensionale Objekte erzeugen.

Regulatorisch stellen UV-Systeme eine Herausforderung dar, besonders in sensiblen Bereichen wie im Verpackungsdruck. Nicht oder unvollständig ausgehärtetes Polymer stellt ein Migrationsrisiko dar, außerdem sind die Endeigenschaften des gedruckten Objektes, egal ob 2- oder 3D, nicht gegeben.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass für das Material Jetting in der Additiven Fertigung UV-Tinten zum Einsatz kommen. Regulatorische Aspekte spielen dann eine Rolle, wenn die Objekte in sensiblen Bereichen eingesetzt werden. Diese müssen dann durch besondere Prüfverfahren bewertet werden.

Vorteile Material Jetting im Vergleich zu VAT-basierten Systemen

VAT-basierte Systeme können, bis auf wenige Ausnahmen, nur ein Fluid verarbeiten. In dieses Fluid müssen alle Eigenschaften „hineinformuliert“ werden, die für das Endobjekt hinsichtlich der mechanischen und chemischen Beständigkeiten sowie definiertem Härtegrad benötigt werden. Sie sind auch auf eine Farbe festgelegt. Mehrfarbige Objekte sind damit nicht möglich. Im Vergleich dazu bietet das Material Jetting die Möglichkeit, entweder mehrfarbig zu drucken oder anstelle von Farben verschiedene Materialien im Druck zu kombinieren. Es können Objekte hergestellt werden, die weiche und harte Bereiche enthalten.

Man darf aber die Themen Konstruktions- und Verfahrenskomplexität nicht außer Acht lassen, die sich in den Kosten für die Anschaffung und den Betrieb eines Inkjetsystems niederschlagen. Es gibt Ansätze, kleine und preiswerte Inkjetsysteme zu entwickeln und auf den Markt zu bringen, was dieser Technologie einen neuen Schub verleihen könnte. Von da bis zu einem industriellen Einsatz jedoch ist es ein Stück des Weges zu gehen. Das Cubic Ink-Team ist von den Vorteilen der Inkjettechnologie fest überzeugt und arbeitet auch weiterhin an guten Inkjetfluiden.