Neue Additive Fertigungstechnik

Andreas Mühlbauer,

Die Mikroproduktion vorantreiben

Mit dem neuen Verfahren der Projektions-Mikro-Stereolithografie (PµSL) eröffnet Boston Micro Fabrication speziell in der Mikroproduktion Alternativen zum Spritzgießen ebenso wie zur CNC-Bearbeitung – für Prototypen ebenso wie Endprodukte in Serienqualität.

Der Mikropräzisions-3D-Drucker microArch S230 von BMF bietet 2 μm Auflösung, ein Bauvolumen von 50x50x50 mm und arbeitet etwa fünfmal schneller als die Vorgängermodelle. © Boston Micro Fabrication

In der additiven Fertigung mit Polymeren und Verbundwerkstoffen produzieren die microArch 3D-Drucker von BMF hochpräzise Bauteile bei 2 μm Druckauflösung mit +/-10 µm Maßstabsgenauigkeit.

Der Trend zur Miniaturisierung von Bauteilen nimmt in allen Branchen zu. Der Bedarf an sehr kleinen, zugleich sehr komplexen Komponenten steigt in der Unterhaltungselektronik, bei medizinischen Geräten und MEMS, in den Biowissenschaften und vielen anderen Bereichen. Um fortschrittliche Funktionen und verschiedene Drahtlos-Technologien unterzubringen, werden elektronische Geräte immer dichter mit vielfältigen kleinen Komponenten bestückt. Für medizinische Anwendungen werden winzige Komponenten und sehr kleine Geräte hergestellt, die den Patienten sogar direkt implantiert werden können.

Entwicklungsflexibilität, Stückzahlen und Kosten

Gleichzeitig suchen Hersteller nach neuen Möglichkeiten, diese kleinen, aber hochdetaillierten Produkte und Komponenten zu fertigen. Denn die Nachfrage nach kleinen, hochpräzisen Teilen steigt, die herkömmlichen Fertigungsverfahren sind jedoch mit hohen Investitionskosten und langen Vorlaufzeiten verbunden.

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Kleine Bauteile aus Kunststoff oder Polymer werden meist im kostenintensiven Mikro-Spritzgießen oder in der ebenso teureren Mikro-CNC-Bearbeitung gefertigt. Die Herstellung von Formen und Werkzeugen für diese winzigen Komponenten ist kostenaufwändiger, weil spezielle, aufwändige Werkzeuge und Vorrichtungen benötigt werden. Die Vorlaufkosten im Werkzeug- und Formenbau liegen zwischen zehn- und hunderttausend Euro, was die Stückkosten besonders bei relativ kleinen Serien in die Höhe treibt.

Deshalb bietet sich der 3D-Druck als Lösung geradezu an. Doch bisher konnten die Additiven Fertigungsmethoden die Anforderungen an Auflösung, Genauigkeit und Geschwindigkeit nicht erfüllen. Nun gibt es eine neue Technologie mit der Flexibilität der additiven Fertigung, die sich preislich für viele Herstellungsszenarios anbietet. Mit Mikro-3D-Druck lassen sich hochdetaillierte Bauteile ohne kostspielen Werkzeug- und Formenbau herstellen. Weil der 3D-Druck für die Mikrofertigung wesentlich wirtschaftlicher ist, als der Druck größerer Komponenten, eröffnet er kosteneffektivere Herstellungsmöglichkeiten als das Spritzgießen, mit dem zusätzlichen Vorteil einer höheren Flexibilität.

Kostenvergleich: Mikrofertigung im Spritzgießen oder im 3D-Druck

Für Unternehmen, die herkömmliche Bauteile und Komponenten produzieren, wird die Wahl zwischen Spritzgießen und 3D-Druck zur simplen Rechenaufgabe: Bei steigenden Stückzahlen werden die Herstellkosten im 3D-Druck in den meisten Fällen schnell die Kosten des Spritzgießens übertreffen. Manchen Anwendungen erreichen den Schnittpunkt bereits bei wenigen Hundert Teilen.

Dies liegt daran, dass die Bauteile aus normalen Kunststoffen hergestellt werden. Die geringen Materialkosten gleichen die hohen Vorlaufkosten teilweise aus, so dass die Bauteile im Vergleich zum 3D-Druck günstiger werden. Deshalb konnte sich 3D-Druck bisher nur bei relativ geringen Losgrößen durchsetzen. Bei größeren Mengen blieb es wirtschaftlicher, ein Werkzeug zu bauen und konventionell zu produzieren. Deshalb konnte sich der 3D-Druck von Serienteilen am ehesten bei geringen Stückzahlen oder bei bestimmten, kundenspezifischen Anforderungen durchsetzen, etwa in der Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik oder Zahntechnik.

Neue Ausgangslage in der Mikroproduktion

Aber für die Mikroproduktion gelten diese Standardregeln nicht, die Wirtschaftlichkeitsrechnung wird nahezu auf den Kopf gestellt. Warum? Einerseits verursacht der Werkzeugbau für sehr kleine Komponenten deutlich höhere Kosten. Andererseits machen die Materialkosten im 3D-Druck nur einen sehr kleinen Anteil der Herstellkosten aus, weil nur geringe Materialmengen verbraucht werden. Selbst wenn das Material zum 3D-Druck das zehnfache kostet, wie herkömmliches Granulat, beeinflusst dies die Gesamtkosten nur wenig. Unter diesen Voraussetzungen lässt sich 3D-Druck selbst bei Stückzahlen in Zehntausenden sinnvoll für kleine, hochpräzise Bauteile einsetzen. Zwar erfordert der Einsatz additiver Fertigungstechnologie die Anschaffung eines oder mehrerer 3D-Drucker, was kostspielige Investitionen bedeuten kann. Allerdings amortisiert sich diese Anschaffung über die Zeit, und im Gegensatz zu Formen und speziellen Werkzeugen können die Drucker später ohne zusätzliche Kosten (und Formen) zur Herstellung anderer Teile verwendet werden.

Die neue Projektions-Mikro-Stereolithografie

In einem BMF microArch 3D-Drucksystem wird UV-Licht entsprechend dem Maskenmuster der Schicht auf einen DLP-Chip projiziert. Durch Verstellen der Projektionslinse können mit der PμSL-Technologie Auflösungen von mehreren Mikrometern oder Hunderten von Nanometern erreicht werden. © Boston Micro Fabrication

Boston Micro Fabrication (BMF) kommerzialisiert ein 3D-Druck-Verfahren namens Projektions-Mikro-Stereolithografie oder PµSL. PµSL ähnelt anderen Technologien wie SLA oder DLP auf dem Markt, aber mit einigen wichtigen Unterschieden. Obwohl das Verfahren auf dem Prinzip der Stereolithografie beruht, sorgt die Technologie durch einen Blitz von UV-Licht für eine schnelle Photopolymerisation einer ganzen Harzschicht in Mikro-Auflösung. Dadurch erreicht der Prozess eine ultrahohe Genauigkeit, Detailtreue und Auflösung, die mit anderen Verfahren einfach nicht möglich sind.

Die 3D-Drucker der microArch-Baureihe von BMF weisen eine hochpräzise Linse zwischen der Lichtquelle, einer DLP Projektion und dem Harzbad auf. Die Drucker steuern auch die XYZ-Bewegungen genau, wozu Hochpräzisionstische verwendet werden, wie sie auch in Koordinatenmessmaschinen zu finden sind. Die Kombination und Koordination dieser Systeme ermöglicht je nach System eine optische Auflösung von 2 bis 10 µm und erreicht damit eine enge Toleranz in dem Bereich von +/-25 µm. In Verbindung mit der hohen Geschwindigkeit des DLP ergibt dieser Ansatz die hohen Leistungen und den Durchsatz, der für industrielle Anwendungen benötigt wird.

Das Highlight: Der neue microArch S230

Die Linie der microArch 3D-Drucker von BMF umfasst drei Serien, gegliedert nach der erreichbaren Auflösung. Der P150 ist das Einsteigermodell der Mikropräzisions-3D-Druckerserie von BMF. Mit einer Auflösung bis zu 25 µm und geringeren Investitionskosten eignet er sich perfekt für kleine, detailreiche Teile, die keine ultrahohe Auflösung erfordern. Die zweite Serie umfasst Drucker mit einer hohen Auflösung bis 10 µm und einem großen Bauraum für industrielle Anwendungen.

Die höchste Auflösung bis zu 2 µm bietet die Druckerserie, der das neue Spitzenmodell microArch S230 angehört. Der microArch S230 bietet Forschungslaboren und Herstellern, die Mikroteile mit engen Toleranzen als Prototypen oder Serienteile benötigen, eine nie dagewesene Designfreiheit und Detailauflösung. Er ermöglicht ein größeres Bauvolumen von 50 x 50 x 50 Millimetern und bis zu fünfmal schnelleres Drucken, als die Vorgängermodelle der 2μm-Serie. Zu den weiteren Hauptmerkmalen des microArch S230 gehören eine aktive Schichtnivellierung, automatische Laserkalibrierung und die Fähigkeit, Materialien mit höherem Molekulargewicht und einer Viskosität von bis zu 20.000 Cp zu verarbeiten, was die Herstellung von stärkeren Funktionsteilen ermöglicht.

Offenes Materialsystem wurde erweitert

BMF bietet zu allen Druckern ein offenes Materialsystem an. Anwender können mit speziell definierten Flüssigpolymeren von BMF ebenso arbeiten, wie mit anderen Materialen ihrer Wahl. Die BMF-Linie von Photopolymeren umfasst harte, steife hochtemperaturbeständige, biokompatible und haltbare Materiale für funktionale Endverbrauchsteile. Gerade wurde das Materialangebot erweitert:

● AL (Aluminiumoxid) Keramik - Ein biokompatibles und chemikalienbeständiges keramisches Harz für Anwendungen mit hohen Temperaturen, großer Festigkeit und hoher Steifigkeit, wie im Werkzeugbau (Spritzguss), bei Gehäusen und medizinische Geräten.

● HT 200 - Ein haltbares, hochtemperaturbeständiges und hochfestes Harz, das gelötet werden kann und für die Endanwendung bei elektrischen Steckverbindern und elektrischen Komponenten vorgesehen ist.

● MT (Magnesiumtitanat)-Keramik - Die Kombination aus hoher Dielektrizitätskonstante und geringem dielektrischen Verlust macht MT-Keramik geeignet für Millimeterwellenanwendungen wie Antennen, Wellenleiter und andere elektronische Komponenten.

Die Vorteile des Mikro-3D-Drucks

Mikro-3D-Druck eröffnet eine Reihe potenzieller Vorteile, besonders für Hersteller, die Chargen sehr kleiner und genauer Teile oder Produkte in relativ geringen Stückzahlen produzieren. Dazu gehören:

Flexibilität
3D-Drucker lassen sich für eine breite Vielzahl verschiedener Anwendungen einsetzen. Hersteller können schnell auf Konstruktionsänderungen, Kundenwünsche oder Marktanforderungen reagieren, ohne neue Formen und Werkzeuge anzufertigen.

Geringe Anforderungen an Material und Chemikalien
Herkömmlicher 3D-Druck erfordert teureres Material als Spritzgießen oder die CNC-Bearbeitung. Die Anwender zusätzliche Stützstrukturen drucken, die teuren Abfall darstellen. Doch Mikrobauteile stellen durch Größe und Verfahren nur geringe Anforderungen bezüglich Material und Reinigungschemikalien. Deshalb verursachen selbst Tausende gedruckter Teile nur geringe Materialkosten.

Einsparen der Kosten für Formen und Werkzeuge
Die Entwicklung und Fertigung spezieller Werkzeuge und Formen für Mikrobauteile verursacht deutlich höhere Kosten als bei Bauteilen in Standardgrößen. Sobald neue Anforderungen oder Entwicklungen aufkommen, können sie sehr schnell obsolet werden. 3D-Druck erfordert zwar eine Ausrüstungsinvestition, erspart aber andererseits den fortlaufenden Bedarf an Formen und Werkzeugen. Selbst bei Bauteilen, die nur im Spritzgießen hergestellt werden können, lassen sich die Drucker zur wirtschaftlichen Herstellung neuer Mikroformen verwenden. Damit eignen sie sich ideal, wenn ohnehin verschiedene Fertigungstechniken eingesetzt werden müssen.

Mikropräziser 3D-Druck öffnet einen kosteneffektiven Weg, um die Herausforderungen der Miniaturisierung in vielen Branchen zu meistern. Ohne die hohen Kosten spezieller Formen und Werkzeuge bringt dieser Weg eine hohe Flexibilität für die Produktion. Bei Anwendungen im Mikrobereich, die in der Elektronik, Medizintechnik und anderen Branchen immer häufiger werden, führt die Möglichkeit zum 3D-Druck von Hunderten oder Tausenden von Teilen zu echten wirtschaftlichen Einsparungen, besseren Reaktionsfähigkeiten auf Änderungen von Produktdesign oder Marktbedingungen.

Wegen der Vorteile des Mikropräzisions-3D-Drucks lassen sich bei industrieüblichen Serien geringere Kosten erreichen als mit Spritzgießen oder Mikro-CNC-Bearbeitung.

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