MJF vs. SLS: Ein Vergleich von Zwei Großen 3D-Druckverfahren

Das Selekive Lasersintern (SLS) und die Multi Jet Fusion (MJF sind zwei der weitverbreitetsten 3D-Druckverfahren auf Grundlage des Pulverbettschmelzens von Elastomeren und Polymeren.

Nikolaus Mroncz

Ingenieur bei Xometry

SLS und MJF sind sich in Ihrem Verfahrensablauf ziemlich ähnlich, und sind in der Lage beinahe identische Produkte zu erzeugen. MJF durch seine isotropen Eigenschaften und die etwas höhere Druckauflösung ideal für kleinere Funktionsteile. SLS hingegen bietet eine breitere Palette an Materialien und größere Bauvolumina, und ist somit eher für visuelle Prototypen und mittelgroße Funktionsteile geeignet. Beide Verfahren sind im Hinblick auf Druckkosten und -geschwindigkeit hin vergleichbar, wobei MJF bei größeren Produktionsvolumina kosteneffizienter und etwas schneller ist, da die Produkte schneller abkühlen und mehr Pulver wiederverwertet werden kann.

Beschreibung der 3D-Druckverfahren

Selektives Lasersintern

Selektives Lasersintern ist ein 3D-Druckverfahren im Pulverbett, das für die Herstellung thermoplastischer Teile aus Materialien wie PA 12 und PA 11 verwendet wird. Dieses Verfahren beinhaltet, dass ein CO2-Laser selektiv ein Kunststoffpulver verschmilzt, indem es den Querschnitt eines Teils Schicht für Schicht im Pulverbett nachzeichnet. Nach dem Sintern jeder Schicht wird das Druckbett etwas abgesenkt, und eine neue Schicht aus Pulvermaterial wird aufgebracht.

Der Begriff „Sintern“ beschreibt dabei das Erhitzen der Kunststoffpartikel, bis ihre Oberflächen schmelzen und sie dadurch aneinander haften. Das SLS ist ein gut etabliertes Verfahren, das eine breite Palette an Materialien unterstützt (inkl. lebensmittelechter oder flammhemmender Materialien), was das Verfahren im Vergleich zu anderen neuen Methoden wie dem MJF vielseitiger macht.

Multi Jet Fusion

Die HP Multi Jet Fusion ist ein 3D-Druckverfahren im Pulverbett, das 2016 von Hewlett-Packard entwickelt wurde. Es nutzt einen mehrstufigen Prozess, in dem eine dünne Schicht aus Pulver über das Druckbett verteilt wird, während es auf einen Punkt knapp unterhalb seines Sinterpunkts erhitzt wird. Anschließend wird aus deinem Druckkopf ein Schmelzmittel aufgetragen, um den Querschnitt des Teils zu formen, darauf folgend wird ein Detaillierungsmittel eingesetzt, um die Schärfe der Kanten zu verbessern.

Eine Infrarot-Wärmequelle fährt danach über das behandelte Pulver hinweg und sintert die Partikel, um eine Schicht des Teils zu erzeugen. MJF wurde dabei für höhere Produktionsdurchsätze entwickelt und bietet im Hinblick auf Geschwindigkeit und Präzision Vorteile gegenüber SLS.

Unterschiede zwischen MJF und SLS 3D-Druck

MJF vs. SLS – Materalien

MJF und SLS nutzen häufig Polyamide wie Nylon 11 oder Nylon 12, sowie thermoplastische Urethane (TPU) und Polypropylen. Das SLS-Verfahren kann dabei auch mit Kohlenstoff oder Aluminium versetzte Nylons drucken, während spezielle Hochtemperatur – SLS – Anlagen, wie jene von EOS, technische thermoplastische Kunststoffe wie PEEK verwenden können. SLS ist zudem kompatibel mit den lebensmittelechten Varianten von PA 11 und PA 12, zusätzlich zum UL 94 – V0 eingestuften PA 12- Material (PA 2210 FR).

Im Gegensatz dazu ist MJF aktuell auf weniger Materialien begrenzt, und werden hauptsächlich Nylon 12, Nylon 11 und TPU verwendet. Aber auch das MJF bietet zumindest Nylon 12 mit Varianten wie mit bis zu 40 % Glasfüllung an, um die Festigkeit zu verbessern.

In der folgenden Tabelle vergleichen wir die häufigsten Materialien, die in MJF- und SLS-Verfahren eingesetzt werden.

Komplexer Druck mit MJF PA 12

Im HP MJF 3D-gedruckte Teile, die zu einer Kugel zusammengesetzt wurden

Mit SLS 3D-gedruckter Becher

Mit SLS gefertigter 3D-Druck

Mit SLS 3D-gedrucktes Motorgehäuse

Mit MJF 3D-gedruckte Teile

SLS vs MJF – Festigkeit

Beim Vergleich der Festigkeit von Teilen aus MJF gegenüber SLS ist es entscheidend, Faktoren wie die Materialeigenschaften, die Druckereinstellungen aber auch Designtechniken zu berücksichtigen. Teile aus dem SLS sind für ihre robust mechanischen Eigenschaften bekannt, sie neigen aber dazu ein anisotropisches Verhalten zu zeigen, was bedeutet, dass ihre Festigkeit davon abhängt, aus welcher Richtung die aufgebrachten Lasten (X, Y, Z) kommen. Im Gegensatz dazu bieten im MJF produzierte Teile relativ konsistente mechanische Eigenschaften, da sie über eine isotropere Natur verfügen, was eine einheitliche Festigkeit und Haltbarkeit in allen Raumrichtungen gewährleistet.

Darüber hinaus beeinflussen Druckereinstellungen wie die Schichtdicke und die Schmelzparameter signifikant die endgültige Festigkeit, und das sowohl bei SLS als auch bei MJF. So entscheidet zum Beispiel die Anpassung der Schichtdicke über eine Verbesserung der Details eines Teils und seine Festigkeit, während die Feineinstellung der Schmelzparameter eine bessere Verbindung zwischen den Schichten sicherstellen kann. Aber auch die richtige Ausrichtung der Teile, sowie die Einhaltung angemessener Kühlzyklen kann zur Reduzierung innere Spannung und somit von Verformungen beitragen.

Darüber hinaus erlauben es beide Verfahren hohle Teile zu erzeugen, die gleichzeitig die strukturelle Integrität verbessern und gleichzeitig das Gewicht und den Materialeinsatz vermindern können. Man sollte jedoch anmerken, dass Teile aus dem MJF mit einer Wandstärke über 7 mm oft grundsätzlich ausgehöhlt werden, was allerdings ihre Festigkeit kompromittieren kann, und sie ggf. anfälliger gegenüber Bruch unter Druck oder Last machen kann. Alternativ können eingesetzte Kerne, Rippen oder sogar Gitterstrukturen die mechanische Festigkeit eines Teils erhöhen, ohne, dass man dazu übermäßig dicke oder massive Teile benötigt.

Maßhaltigkeit und Auflösung von Merkmalen

Sowohl MJF als auch SLS bieten eine hohe Maßgenauigkeit, zeigen jedoch Unterschiede im Hinblick auf die Auflösung beim Druck der Merkmale. MJF – Teile haben eine höhere Auflösung von 0,51 mm im Vergleich zur Auflösung von 0,762 mm beim SLS.

SLS und MJF erfordern beide keine Stützstrukturen, wodurch es möglich ist, maßgeschneiderte Modelle oder die Spuren der Entfernung von Stützstrukturen zu erzeugen. Sie sind jedoch beide anfällig für Verformungen, weshalb es bei beiden Verfahren besser ist, große und flache Flächen zu vermeiden.

MJF vs. SLS – Oberflächenveredelung

Sowohl MJF als auch SLS erzeugen Teile mit einer charakteristisch rauen/matten Oberflächengüte. Die Oberfläche kann jedoch (nur bei SLS) durch Perlenstrahlen oder Trommelpolitur geglättet werden. Zudem ist es jetzt durch die chemische Dampfpolitur möglich, versiegelte, seidenmatte Oberflächen für geringe Kosten für beide Verfahren zu realisieren.

MJF dampfpoliert + schwarz lackiert

SLS dampfpoliert + schwarz gefärbt

Die folgende Tabelle zeigt die Veränderungen der Oberflächenrauhigkeit des PA 12 auf Grundlage des verwendeten Fertigungsverfahrens und der Oberflächenveredelung:

Bearbeitungszeit

Im Vergleich dauert das Druckverfahren pro Sicht bei MJF und SLS ähnlich lang pro Schicht, wobei die Komplexität im Querschnitt die Zeit diktiert, die der Scanner zum Abfahren des Querschnitts braucht. In der Summe baut die MJF schneller, während im SLS die produzierten Volumina (oder Stückzahlen im Bauvolumen) glänzen lassen, da so mehr Produkte pro Zyklus erzeugt werden. Beide Verfahren erlauben es, dass die Druckbetten außerhalb der Maschine gekühlt werden können, wobei die Abkühlzeiten in der Regel, in Abhängigkeit von der Vernestelung) zwischen 10 und 20 Stunden liegen können. Während also ein Baurahmen abkühlt, kann ein Weiterer  bereits in die Maschine eingesetzt werden, um einen neuen Fertigungszyklus zu starten. 

Sowohl im Betrieb von SLS als auch MJF werden in der Regel drei Rahmen für jede Maschine empfohlen: ein Rahmen wird gedruckt, einer kühlt aus und aus dem dritten werden die ausgekühlten Teile herausgebrochen um weiterverarbeitet zu werden. So wird die Anlage am besten genutzt, ohne dass es zu größeren Ausfallzeiten kommt.

Druckvolumen

SLS – Anlagen können Teile mit einem größeren Bauvolumen (von bis zu 550 x 550 x 750 mm) im Vergleich zum MJF-Druck (mit bis zu 380 x 284 x 380 mm) erzeugen. In beiden Fällen ist es jedoch nicht zu empfehlen, die Teile so groß zu gestalten, dass die das gesamte verfügbare Bauvolumen ausfüllen, da dies thermale Bedingungen schaffen würde, die das Teil an sich beeinflussen würden (Verformung, Verdrehen, Schrumpfung usw.) und somit das Risiko von Baufehlern (Abblättern oder das Hängenbleiben des Beschichters) vergrößern. 

Um die Effizienz im SLS – Druck zu maximieren ist es dennoch entscheidend, das gesamte Bauvolumen zu nutzen, da die Rückgewinnung des eingesetzten Pulvers im Verfahren deutlich geringer ist. (Im Vergleich 80% Pulverrückgewinnung im MJF, bei 30 bis 50% im SLS-Verfahren.)

MJF vs. SLS – Kosten

Unter Nutzung eines Entwurfs eines Teils (siehe CAD – Dateien) als Testmodell, evaluierten wir den Preis für den MJF und SLS 3D-Druck mit PA 12 (grau) unter Nutzung der Xometry Instant Quoting Engine® (unserer Plattform für Sofortangebote). Das Ergebnis machte deutlich, dass SLS für die Fertigung eines Einzelstücks ungefähr 20% teurer ist als im MJF, wobei jedoch beide zuerst einmal auf ähnliche Kosten aufskalieren. MJF wird jedoch bei noch größeren Maßstäben wieder kostengünstiger.

Sollte ich im Hinblick auf SLS oder MJF unterschiedlich entwerfen?

Die Designrichtlinien für MJF und SLS sind beinahe identisch. Was Sie jedoch bedenken sollten, ist die Varianz bei den Standardtoleranzen. Während beide Verfahren eine Toleranz von ±0.3% für Teile über 100 mm haben, so bietet MJF etwas geringere Toleranzen bei Teilen unter 100 mm (±0.2 mm gg. ±0.3 mm bei SLS).

Kann man MJF und SLS als austauschbar betrachten?

Obwohl die Verfahren ihre Unterschiede haben, so sind sie doch in vielen Anwendungsbereichen austauschbar, falls sich die entsprechenden Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften, die Komplexität der Teile und die Materialeigenschaften überlappen. Wir zeigen Ihnen hier einige allgemeine Anwendungen, bei denen beide Verfahren geeignet wären:

• Funktionsprüfteile: Beide Verfahren erzeugen Teile mit ausreichender mechanischer Festigkeit und Haltbarkeit, um in funktionalen Tests von Teilen wie Halterungen, Clips oder Gehäusen aus PA 11, PA 12 oder PA 12 mit Glasfüllung (für verbesserte Steifigkeit) der Prüfung zu widerstehen.
• Gefertigte Teile für die Endanwendung: MJF und SLS können robuste und haltbare Teile wie Steckverbinder, Zahnräder oder Gehäuse für elektronische Geräte aus glasverstärktem PA 12 oder normalem PA 12 herstellen.
• Elastomerteile: Beide Verfahren können TPU verarbeiten und das flexible und haltbare Material bei der Produktion von Teilen wie Dichtungen, Dichtungsringen oder flexiblen Verbindungen verwenden, um den Bedarf nach elastischen und doch haltbaren Teilen zu erfüllen.

Wie wählt man das richtige 3D-Druckverfahren?

In vielen grundlegenden Anwendungsgebieten kann man mit SLS und mit MJF Teile mit vergleichbaren mechanischen Eigenschaften und vergleichbarer Oberflächengüte erhalten. Zur selben Zeit gibt es natürlich auch anspruchsvollere Anwendungen, die eine feinere Auflösung, spezifischere Anforderungen an die Materialien und so weiter erfordern, was die Entscheidung für das eine oder andere Verfahren notwendig macht. 

Die folgende Tabelle vergleicht die Schlüsselfaktoren der Entscheidung zwischen SLS und MJF:

Mit SLS 3D-gedruckter Becher

Xometry bietet Ihnen SLS 3D-Druck und MJF 3D-Druckdienste mit einer großen Auswahl an Materialien und Oberflächenveredelungsoptionen an, um all Ihre Produktionsbedürfnisse zu erfüllen. Dank unserer Xometry Instant Quoting Engine® können Sie ganz einfach beide Verfahren vergleichen und das für Ihre spezifischen Anforderungen am besten geeignete Verfahren auswählen. Laden Sie einfach Ihre CAD-Datei hoch und erhalten Sie ein Sofortangebot mit Preisen und Vorlaufzeiten.

Xometry bietet Ihnen auch DFM – Feedback und Beratungsdienste für Firmenkunden an, bei denen Ihnen unsere erfahrenen Ingenieure helfend zur Seite stehen, wenn Sie das passende Verfahren für Ihr Projekt auswählen wollen.

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