Polymer-Mikro-3D-Druck plus Beschichtung Horizon Microtechnologies vereint Polymerbauteile mit metallischer Funktionalität

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BMF Boston Micro Fabrication

Heidrive GmbH

Althen GmbH Mess- und Sensortechnik

a.b.jödden gmbh

Horizon Microtechnologies kombiniert die Vorteile der additiven Mikrofertigung aus UV-Polymeren mit der Leitfähigkeit und EMV-Schirmung metallischer Beschichtungen. Die Mikrobauteile mit ganz neuartigen Eigenschaften druckt der Dienstleister auf einem microArch S240 System mit 10 µm Auflösung von Boston Micro Fabrication (BMF).

Andreas Frölich beschäftigt sich seit 20 Jahren mit 3D-Druck auf der Nanoskala und verfolgt seit dem Studium an der TU Karlsruhe die Vision, den gedruckten Kunststoffteilen neue, wichtige Eigenschaften zu verleihen. Der geringe Durchsatz bei hochpräzisen Anwendungen beschränkte sie lange auf den Forschungsbereich. „In den vier Jahren bis 2020 haben die Anbieter eine Lücke zwischen Verfahren mit hoher Präzision und geringem Durchsatz einerseits, geringer Detailtreue und industriell anwendbarer Produktivität andererseits geschlossen“, erklärt Dr. Andreas Frölich. Dies war der Ausgangspunkt für sein Unternehmen Horizon Microtechnologies, das seit Ende 2021 die Vision in industrielle Anwendungen verwandelt. 

Neue Bauteileigenschaften am Horizont

Als Alumni des ESA Business Incubation Center Programs entwickelte das Unternehmen unter anderem 3D-gedruckte, metallisch beschichtete Funkantennen für Satelliten. Auch Industrieunternehmen erhalten von Horizon Microtechnologies Hybridteile, die im 3D-Mikrodruck hergestellt und mit innovativen Beschichtungsverfahren veredelt werden. Dabei wird die gesamte Prozesskette der Entwicklung, Fertigung, Nachbearbeitung und Beschichtung von Mikroteilen im eigenen Labor abgedeckt. Vor allem in der Elektronik ermöglicht die Technologie Kunden schnelle Innovationen bei leitfähigen, geschützten Polymer- und Metallteilen – mit neuartigen Eigenschaften, die die Grenzen des Machbaren erweitern. Die Kernkompetenz des Unternehmens liegt in drei Beschichtungsprozessen für 3D-Strukturen:

• Schutzschicht gegen Umwelteinflüsse, die das Polymermaterial etwa gegen Lösungsmittel oder ähnliche Substanzen versiegelt,
• Leitfähige Schicht, die z.B. in der Elektronikfertigung statische Aufladungen verhindert, oder in der Sensorik das Fließen geringer Ströme durch die Beschichtung ermöglicht,
• Metallische Beschichtung, die etwa für Elektroniktests höhere Ströme transportiert, in der Hochfrequenztechnik, etwa bei Radar oder Telekom, Signale führt.

Für viele dieser Anwendungsgebiete müssen die beschichteten 3D-gedruckten Bauteile besonders glatte Oberflächen aufweisen. Hierbei spielt der 3D Druck mit DLP-Materialien von BMF seine Stärken voll aus.

Präzisionsmikro-Stereolithografie

Ein wichtiger Schritt dazu war die Auswahl eines geeigneten 3D-Druckverfahrens, das „Bauteile in Größen zwischen Daumennagel und Faust mit Toleranzen einer Haaresbreite reproduziert“, wie Andreas Frölich rekapituliert. „Ein gutes Verhältnis von Durchsatz und Auflösung sowie eine breite Palette vorqualifizierter Materialien hat uns dann zur Projektionsmikro-Stereolithografie (PμSL) von Boston Micro Fabrication (BMF) geführt.“ In diesem Verfahren wird ein Flüssigpolymer durch eine Abfolge von UV-Lichtblitzen bei gleichmäßig hoher Auflösung im gesamten Arbeitsraum ausgehärtet. Die Drucksysteme enthalten hochpräzise Optiken, um die Pixelgröße im Projektor je nach Druckerserie auf 25 μm, 10 μm oder 2 μm zu fokussieren. Auch die Lineartechnik der 3D-Drucker wurde auf niedrige Toleranzen ausgelegt. Mit der üblichen Stereolithografie (SLA) lassen sich zum Vergleich kleine Teile mit der höchsten Auflösung von etwa 50 μm herstellen.Die Entscheidung fiel auf den microArch S240, ein echtes „Arbeitspferd“ aus der 10-µm-Serie mit einem Bauvolumen von 100 x 100 x 75 Millimeter, das sich auch für die Serienproduktion von Mikrobauteilen in Endqualität eignet. „Damit können wir beispielsweise über Nacht 80 Spiralen drucken und in einigen Tagen metallisieren“, sagt Andreas Frölich. Mit einer optischen Auflösung von 10 µm bei einer Schichtdicke von 10 bis 40 µm erreicht der Desktop-Drucker Oberflächengüten von 0,4 bis 0,8 µm Ra und besser, je nach Baurichtung, eine wichtige Voraussetzung für die späteren Anwendungen. Sein Step-and-Repeat-Verfahren verbindet hohe Auflösung mit großer Baufläche. Echtzeit-Bildüberwachung, Autofokus und Belichtungskompensation sorgen für hochpräzise Ergebnisse.

Herstellung von Mikroteilen

Neue Materialien für hochpräzisen 3D-Druck

Hohe Flexibilität, Stabilität und Belastbarkeit

Nach der Installation mit professioneller Unterstützung durch BMF stand zunächst eine Lernphase an, die durch Schulungen und Einweisungen, aber auch mit Guidelines zu den eigenen Materialien unterstützt wurde. „Schon out-of-the-box arbeitet der Drucker mit 20 bis 30 Mikrometer Toleranz zum 3D-Modell“, berichtet Dr. Frölich. „Wir sind sehr zufrieden mit der Stabilität der Maschine und des gesamten Prozesses.“ Dabei spielt die breite Palette verfügbarer Materialien. Einschließlich transparenter, biokompatibler und besonders langlebiger Harze eine große Rolle. „Wir sind nicht auf das Materialangebot von BMF beschränkt“; freut sich Andreas Frölich, sondern können Material zahlreicher Hersteller verwenden, da wir vollen Zugang zu allen Druckparametern haben.“ Inzwischen folgt Horizon Microtechnologies einem standardisierten Prozess für die Auswahl und Erprobung von neuen Materialien, um flexibel auf Kundenwünsche reagieren zu können.

Chips für die Mikrofluidik

Eine nachgefragte Anwendungsmöglichkeit sind dreidimensionale Chips für die Mikrofluidik, die bisher in mehreren Lagen aufwendig hergestellt werden müssen. In der additiven Fertigung werden sie, als Protopyen ebenso wie in kleinen Serien, schnell und genau gedruckt. Dazu hat Horizon das transparente Hochtemperaturmaterial HTL von BMF verwendet, um die Analyse unter dem Mikroskop zu ermöglichen. Die glatten und klaren Oberflächen können durch Beschichtung versiegelt werden. Ebenso können auch leitende Elemente eingeführt werden, die als Sensor oder Elektrode für die Fluidmanipulation dienen.

Antennenhorn mit Standardgewinn

„Die von uns entwickelte Hornantenne wiegt nur ein Sechstel einer entsprechenden Antenne aus Vollmetall – bei gleicher technischer Leistungsfähigkeit“, freut sich Andreas Frölich. „Zusätzlich können wir sie durch Rillen noch so optimieren, dass sie sehr gerichtet und ohne Nebenkeule abstrahlt.“ Diese Verbesserungen wären mit spangebenden Prozessen im Metallteil kaum zu realisieren. „Wir unterstützen gerne bei der Entwicklung und Herstellung von mm-Wellen-Antennen, Filtern, Mischern und ähnlichen Komponenten“, sagt Andreas Frölich. „Wir verfügen über alle notwendigen Entwicklungs- und Testumgebungen.“

Hybride Elektronikkomponenten

Auch bei elektrischen Gerätesockeln, Fan-out-Strukturen, Interposern sowie Elektroden und elektrischen Kontaktstiften werden die Grenzen der konventionellen Fertigungstechniken schnell erreicht. Die Verbindung aus 3D-Druck und Beschichtungstechnologien eröffnet neue Gestaltungsmöglichkeiten.

Fazit: 100 Projekte erfolgreich abgewickelt

Nach rund zwei Jahren mit dem BMF-Drucker zieht Andreas Frölich eine positive Bilanz: „Die Interessenten sind begeistert von den neuen Möglichkeiten in Entwicklung und Fertigung, die wir anbieten.“. Inzwischen hat er mit seinem Team fast 100 Projekte abgewickelt, in der Regel mit Losgrößen zwischen eins und fünfzig. „Der microArch S240 hat sich dabei als echtes Produktionsmittel bewährt, das eine hohe Qualität der Erzeugnisse mit enormer Prozessstabilität und Zuverlässigkeit verbindet.“ Die Kunden verstehen den Mehrwert von hoher Auflösung, Präzision und Genauigkeit im 3D-Druck in Verbindung mit den Vorteilen der Beschichtungstechnologien. „Wir stellen den Kunden unser Know-how aus der Produktentwicklung, Materialkunde und Fertigungstechnik gerne zur Verfügung, um die Ergebnisse dann mit hoher Detailsicherheit umzusetzen“, schließt Dr. Andreas Frölich. „Die Technologie von BMF hat sich dabei bestens bewährt.“

Laura Galloway ist Director Marketing bei Boston Micro Fabrication (BMF).