Multi Jet Fusion (MJF): HP-инновация для сложных промышленных деталей

Сегодня дизайнеры и инженеры имеют большой выбор технологий и материалов 3D-печати. В этой статье мы подробно разберем Multi Jet Fusion (MJF) — проприетарную технологию HP — как жизнеспособное решение для множества сложных и промышленных применений. Как это работает, преимущества и подходит ли она для ваших деталей.

Если хотите узнать больше о 3D-печати через Hubs, посетите нашу страницу услуг 3D-печати.

Что такое Multi Jet Fusion (MJF) 3D-печать?

Multi Jet Fusion (MJF) — процесс 3D-печати, который быстро производит точные и детализированные сложные детали из порошковых термопластов.

Благодаря способности стабильно и быстро выдавать детали с высокой разрывной прочностью, тонким разрешением и хорошо определенными механическими свойствами, услуги MJF 3D-печати стремительно стали основным решением аддитивного производства (AM) для промышленных приложений. Часто используется для функциональных прототипов и серийных деталей, деталей, требующих изотропных механических свойств, и органических сложных геометрий.

Для быстрой справки смотрите наше видео о MJF.

История разработки MJF

Технология выведена на рынок в 2016 году подразделением HP Additive, опиравшимся на многолетний опыт HP в струйной печати и точной механике. Корни разработки уходят в 1990-е.

В 1990-х аддитивное производство начинало выходить за рамки только НИОКР. Перспективы реального промышленного применения становились явными. Но скорость стала ключевым препятствием. По сравнению с литьей в формы или штамповкой металла, большинство 3D-принтеров тратили много времени на изготовление деталей.

Один из подходов ранних пользователей — использование «ферм» или парков из множества машин для увеличения объема печати. HP выбрала более интегрированный, автоматизированный подход.

В глобальном хабе AM в Барселоне HP разработала систему, строящую детали слой за слоем в большом ложе порошкового материала, с дополнительным оборудованием для бесшовной постобработки. Похоже на селективную лазерную спекание (SLS) и другие порошковые технологии, эта система эволюционировала в современную MJF.

Как работает Multi Jet Fusion?

С помощью струйной головки MJF наносит агенты спекания и детализации в слой порошка, затем спеканные их в твердый слой. Принтер наносит новый слой порошка, и процесс повторяется.

Пошаговый процесс построения детали MJF:

1. Подвижная строительная единица устанавливается в принтер.
2. Каретка распределителя материала проходит по зоне печати, нанося тонкий слой порошка.
3. Печатающая и спеканная каретка проходит по зоне, предварительно нагревая порошок до заданной температуры для обеспечения однородности материала.
4. Массив струйных сопел наносит агенты спекания на порошковое ложе в областях, соответствующих геометрии и свойствам детали.
5. После завершения каждого слоя строительная единица отъезжает, освобождая место для следующего слоя.
6. Процесс повторяется до завершения сборки.

После печати строительная единица содержит деталь и нераспечатанный порошок. Отдельная постобрабатывающая станция, подключенная к подвижной строительной единице, используется для охлаждения и распаковки детали, а также рекуперации излишков порошка для повторного использования. Абразивная обработка (бид-бластинг) удаляет остатки порошка и позволяет перейти к косметическим операциям.

Какие материалы использует MJF?

Материалы для MJF делятся на жесткие и гибкие пластики. Жесткие: Нейлон PA11, Нейлон PA12, ПП. Гибкие: Estane 3D TPU M95A. Система HP фокусируется на полиамидах, разработанных HP и партнерами.

Материалы MJF, доступные на платформе Hubs:

Материал	Описание
HP PA 12 (Нейлон 12)	Надежный термопласт со всеми отличными физическими свойствами и химической стойкостью, идеален для функциональных прототипов и серийных применений.
Стеклонаполненный HP PA 12	Нейлон, усиленный стекловым наполнителем, дает детали с более высокой жесткостью и тепловой стабильностью, чем стандартный нейлон.

Как работает постобработка MJF?

Как и в других процессах, перед использованием детали требуется дополнительная обработка. Однако постобработка MJF относительно легка по сравнению с другими AM-технологиями.

После печати строительная единица заполнена трехмерным ложем нераспечатанного порошка с деталью внутри.

Основные этапы постобработки MJF:

• Охлаждение: Происходит внутри строительной единицы. HP предлагает модули натурального охлаждения, чтобы строительная единица могла использоваться для новой печати без ожидания остывания порошка и детали.
• Рекуперация нераспечатанного порошка: После остывания строительную единицу переносят на станцию постобработки и вакуумом забирают порошок в контейнер для повторного использования.
• Абразивная очистка (бид-бластинг): Удаляют остаточный порошок бид-бластингом, воздушным или водянымstrahlung. Можно вручную или автоматически (барабан, ультразвук, вибрационная обработка).

После удаления всего остаточного порошка может потребоваться дополнительная постобработка в зависимости от детали. Например, для литейных процессов может понадобиться механическая доводка стыковочных поверхностей, отверстий, допусков выше возможностей MJF, внутренних резьб. Также для выполнения специфических требований может потребоваться ручная шлифовка.

Преимущества MJF

Если нужны функциональные прототипы и небольшие серийные партии серийных деталей — MJF лучшее решение. MJF выдает значительно более прочные детали, чем SLS. Разрывная прочность деталей MJF достигает 48 МПа (6960 psi) по XY и Z по методу ASTM D638.

MJF отлично обеспечивает механические свойства во всех направлениях геометрии детали. Для сложных, многогранных дизайнов с мелкими элементами, требующими прочности, MJF — оптимальный выбор.

MJF производит функциональные серийные детали без большой постобработки. По сравнению с другими AM-технологиями — быстрее, с более надежной автоматизацией, что дает гораздо более короткие сроки и качественные поверхности с минимальным ручным трудом.

Для достижения скорости MJF последовательно сканирует поверхность печатаемой детали каждый проход, даже при печати множества деталей одновременно. Это дает более высокую скорость сборки по сравнению с другими технологиями, даже при больших объемах.

Почему MJF идеально для серийных деталей?

MJF выделяется среди аддитивных процессов тем, что создана для производства более высоких объемов деталей с большой сложностью, детализацией и структурной целостностью. Популярное решение для точных и долговечных корпусов электронных компонентов, механических сборок, обтекателей, приспособлений и оснастки.

В текущих машинах MJF строительная единица — подвижная тележка, подключенная к встроенной станции постобработки. После завершения детали достаточно переместить порошковое ложе на станцию для удаления излишков порошка. Постобработку можно выполнять пакетами, и чаще всего ручная доводка минимальна. Это делает технологию подходящей для серийного производства функциональных деталей.

Порошковая система устраняет необходимость в поддерживающих структурах, детали эффективно укладываются в зоне печати. После завершения неиспользованный порошок можно использовать повторно в следующих партиях.

MJF vs SLS: в чем разница?

Хотя селективное лазерное спекание (SLS) похоже на MJF, есть ключевые отличия. SLS также наносит порошок слоями, но спекание происходит лазером, спеканным порошковые частицы между собой и с нижележащим слоем.

Мощность лазера можно модулировать для изменения свойств материала, но параметры ограничены. HP использует широкий набор химических агентов, давая больше возможностей для изменения свойств каждого вокселя детали.

MJF vs Литье в формы: что лучше для вашего применения?

MJF не только превосходит другие AM-технологии — это жизнеспособная альтернатива литью в формы. При литье в формы платите за форму и проводите обширный DFM-анализ. Ограничивает геометрию детали, сроки значительно длиннее (изготовление формы и прочие этапы).

MJF дает большую свободу проектирования, резко сокращает сроки. Изменения дизайна вносятся быстро, не привязаны к форме. Если планируете серийное литье, обязательно рассмотрите MJF, особенно для высоких объемов мелких и средних деталей со сложной геометрией.

В общем, MJF предпочтительнее для прототипов и малых/средних серий. Прототипы печатают за дни, а механические свойства MJF-деталей сопоставимы с литьем в формы.

Примеры применения MJF

Заметный кейс — CNC Würfel, специалист по автоматизации производства для автопрома и медтехнологий. В 2017 г. они заменили фрезерные и токарные станки 3D-печатью для многих компонентов. Это резко сократило сроки производства и освободило время для тестирования прототипов.

Особенно эффективно для их адаптера захвата (gripper adapter) — детали конвейера, требующей нескольких сложных компонентов и систем захвата. Традиционные процессы давали 8–10 недель сроков и требовали обширных знаний и вмешательства, иногда повреждающих деталь.

CNC Würfel перешли на MJF-печать адаптера. Сразу получили выгоду: сроки сократились с двух месяцев до легко меньше недели. Стоимость печати снизилась на 95% по сравнению с традиционным производством. Дополнительный бонус: напечатанная деталь была на 84% легче, но достаточно прочна.

Еще один сильный кейс — камера HP Z 3D Camera для упрощения захвата и визуализации документов и объектов в реальном времени. До MJF камеру делали из трех отдельных литых деталей, что означало недели прототипирования и затраты на каждую деталь.

Переход на MJF ускорил производство: новая технология позволила напечатать единую сборку вместо трех деталей. По HP это снизило стоимость детали с $2,42 до $0,36, а прототипирование сократилось с недель до дней. Свобода проектирования MJF позволила оптимизировать ориентацию камеры, повысив качество конечного изделия.

Полезные советы и трюки для MJF

• Укрепляйте тонкостенные или большие плоские поверхности ребрами или жесткостью, а отверстия — ободками (боссами), где возможно.
• Учитывайте, что рельефный текст и косметические элементы меньше 0,5 мм могут не выжить после вторичной постобработки. Проверяйте DFM-анализ в котировке детали.
• Толщина стенок детали должна быть между 2,5 и 12,7 мм. Выход за пределы может повлиять на допуски.
• Четко обозначайте косметические поверхности, чтобы производитель избегал ступенчатости на косых углах детали.

Часто задаваемые вопросы

Каковы преимущества MJF?

MJF позволяет производить большие объемы уникальных деталей без парков из множества принтеров. Может заменить дорогое литье или прессование. Текущие системы HP включают станцию массовой постобработки, минимизирующую ручную доводку.

Каковы недостатки MJF?

MJF дороже модульных технологий печати вроде FDM, но качество выше и стабильнее для промышленного использования.

Влагостойки ли детали MJF?

PA 12 Нейлон — один из немногих влагостойких материалов 3D-печати. Стенки MJF-детали должны быть 1 мм для влагостойкости, свыше 4 мм — для водонепроницаемости. Детали MJF также химически стойки к смазкам, щелочам, маслам и алифатическим углеводородам.

Какова размерная точность MJF?

± 0,3% с нижним пределом ± 0,3 мм (0,012 дюйма).

Каков максимальный размер печати MJF?

На Hubs максимальный размер — 380 × 285 × 380 мм (14,9 × 11,2 × 14,9 дюйма).

Каковы минимальные элементы, которые может напечатать MJF?

Минимальный размер элемента — 0,5 мм (0,02 дюйма). Слои печати MJF — 80 мкм (0,0003 дюйма), что позволяет получать очень тонкие поверхностные детали.