Additive Fertigung im Mikrometerbereich Mikrofertigung: Schnelleres Prototyping mit Mikro-AM

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In den vergangenen Jahren hat die additive Mikrofertigung Fortschritte gegenüber traditionellen Fertigungsverfahren gemacht. Insbesondere beim Prototyping und der Kleinserienfertigung von Mikroprodukten aus Kunststoff bietet die Technologie viele Vorteile, wie dieser Beitrag beschreibt.

In den vergangenen Jahren hat die additive Mikrofertigung (Mikro-AM) große Fortschritte gegenüber traditionellen Fertigungsverfahren gemacht. Insbesondere beim Prototyping und der Produktion von Mikroprodukten aus Kunststoff bietet Mikro-AM große Vorteile. Die Technologie hat das Potenzial, die Entwicklung und Herstellung von Miniaturteilen aus Kunststoff für eine Vielzahl von Branchen zu revolutionieren.

Auf dem Markt sind bereits fortschrittliche Mikro-AM-Hardwaresysteme erhältlich, mit denen sich Designer und Hersteller die Vorteile des 3D-Drucks zunutze machen können, um komplexe Teile in kleinen, mittleren und hohen Stückzahlen zeitnah und kostengünstig herzustellen.

Mikrofertigung: Schnelle Lösung fürs Prototyping

Bisher war das Prototyping von Mikroprodukten aus Kunststoff mit kostspieligen und zeitaufwändigen Verfahren wie Mikrospritzguss oder Mikrozerspanung verbunden. Bei diesen herkömmlichen Herstellungsverfahren müssen in der Regel spezielle Formen oder Werkzeuge hergestellt werden, was kein praktikabler Ansatz für die Produktion kleiner Stückzahlen oder schneller Iterationen ist. Mikro-AM hingegen stellt eine kostengünstige und schnelle Prototyping-Lösung für Mikroteile aus Kunststoff dar.

Mit Mikro-AM können Designer ihre digitalen Entwürfe mit minimaler Vorlaufzeit direkt in physische Objekte umwandeln. Dadurch wird der Produktentwicklungszyklus beschleunigt, was durch schnellere Iterationen Designverbesserungen ermöglicht. Da keine teuren Werkzeuge benötigt werden und weniger Material verschwendet wird als bei herkömmlichen Herstellungsverfahren, lassen sich die Kosten für das Prototyping erheblich reduzieren. Dadurch können auch kleinere Unternehmen und Startups innovative Ideen umsetzen, ohne das Budget zu sprengen.

Designvalidierung vor der Serienfertigung

Da es mit Mikro-AM möglich ist, funktionale Prototypen mit komplexen Geometrien herzustellen, ist die Designvalidierung vor der Serienfertigung leicht zu realisieren. Unterschiedliche Designs, Abmessungen und Toleranzen können ohne große Kosten oder lange Vorlaufzeiten getestet werden. Dieser iterative Ansatz verbessert die Qualität und Zuverlässigkeit der Endprodukte, da potenzielle Probleme bereits in den frühen Entwicklungsphasen erkannt und behoben werden können.

Mit Mikro-AM sind Designer nicht mehr an die Grenzen herkömmlicher Bearbeitungs- oder Formgebungsverfahren gebunden, die die realisierbaren Formen und Geometrien oft einschränken. Mit Mikro-AM lassen sich hochkomplizierte und komplexe Designs erstellen, zum Beispiel Gitterstrukturen, ineinandergreifende Teile und feine Merkmale. Diese neue Designfreiheit gibt Ingenieuren und Designern die Möglichkeit, unkonventionelle Konzepte auszuloten, mit neuen Formen zu experimentieren und die Grenzen des Möglichen zu erweitern. Die Produktentwicklung wird dadurch zu einem iterativen und kreativen Prozess, der die Entstehung innovativer Ideen fördert und die Weiterentwicklung von Produkten und Technologien vorantreibt.

Individuelle Designs herstellen

Darüber hinaus erleichtert Mikro-AM die Herstellung kundenspezifischer Designs, die auf spezielle Anwendungen zugeschnitten sind, und ermöglicht die Entwicklung individuell angepasster Lösungen, die zuvor nicht realisierbar waren. Dieses Anpassungspotenzial lässt sich auf eine Vielzahl von Branchen übertragen. In der Elektronik können kundenspezifische Mikro-AM-Komponenten zum Beispiel so konstruiert werden, dass sie sich in komplexe elektronische Baugruppen einfügen oder nahtlos in miniaturisierte Geräte integrieren lassen. Diese Designfreiheit fördert eine Innovationskultur, in der Produkte für bestimmte Zwecke optimiert werden können, was zu einer höheren Leistung, Effizienz und Benutzerfreundlichkeit führt.

Kürzere Time-to-Market durch Mikrofertigung

In einigen wettbewerbsintensiven Marktnischen ist die Markteinführungszeit ein entscheidender Erfolgsfaktor. Mikro-AM beschleunigt den Produktentwicklungs- und Fertigungsprozess und verschafft Unternehmen dadurch einen bedeutenden Wettbewerbsvorteil. Da Mikro-AM die schnelle Herstellung von Prototypen und Kleinserien auf Abruf ermöglicht, können Unternehmen unverzüglich auf veränderte Marktanforderungen und neue Trends reagieren.

Mit Mikro-AM entfällt der Zeitaufwand, der bei der herkömmlichen Fertigung für die Einrichtung und den Bau von Werkzeugen erforderlich ist, sodass Verzögerungen in der Produktion auf ein Minimum reduziert werden. Diese Fähigkeit ist besonders in Branchen wichtig, in denen kurze Reaktionszeiten von entscheidender Bedeutung sind, etwa der Unterhaltungselektronik und der Luft- und Raumfahrt, da sie Unternehmen in die Lage versetzt, Produkte schnell und effizient auf den Markt zu bringen. Mikro-AM ermöglicht außerdem eine „Just-in-Time“-Produktion: Komponenten können genau dann und dort hergestellt werden, wo man sie benötigt. Bei diesem schlanken Fertigungskonzept ist keine umfangreiche Bestandsverwaltung erforderlich, was zu Kosteneinsparungen und einer verbesserten Effizienz der Lieferkette führt.

Mikro-AM für die Massenproduktion

Die Reifung von Mikro-AM als Verfahren, das nicht nur für die Prototypenherstellung, sondern auch für die eigentliche Produktion eingesetzt werden kann, lässt auf eine positive Zukunft für die Fertigung von Produkten in mittleren und hohen Stückzahlen hoffen. In letzter Zeit hat das Interesse am Einsatz von Mikro-AM zur Herstellung von Formwerkzeugen, dem so genannten Direct Rapid Soft Tooling (DRST), stark zugenommen. DRST eignet sich besonders für Szenarien, in denen eine Kleinserienproduktion angestrebt wird, doch die Herstellung eines Werkzeugs im herkömmlichen Verfahren unmöglich oder unerschwinglich ist. Mit DRST ist es zudem möglich, Designänderungen viel einfacher und kostengünstiger durchzuführen. Darüber hinaus kann eine höhere Werkzeugkomplexität ohne zusätzliche Kosten realisiert werden.

Da die Herstellung herkömmlicher Mikrowerkzeuge für das Mikrospritzgießen mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist, liegt der Schwerpunkt jetzt verstärkt auf der Entwicklung von Mikro-AM-DRST für Kleinserien und funktionale Prototypen. Mit der 3D-Drucker-Serie Fabrica hat Nano Dimension die Herstellung von DRST durch eine Kombination aus Designoptimierung, Materialverbesserungen hinsichtlich Temperaturbeständigkeit und Festigkeit sowie Prozessoptimierungen (mit Schwerpunkt auf der Erhöhung des Aufpralldrucks und der Steifigkeit des gedruckten Soft-Tools) feinabgestimmt. Das Ziel ist es, schwierigere Einspritzbedingungen zu bewältigen und eine größere Bandbreite an Materialien zu verarbeiten.

Mikrofertigung Business Case für DRST

Formenbauer und Hersteller, die bisher auf die Verwendung von teuren, auf herkömmliche Weise hergestellten Werkzeugen mit langen Vorlaufzeiten angewiesen waren, können mit DRST Formen in beliebiger Stückzahl herstellen - von Prototypen bis hin zur Massenproduktion. Die positiven Ergebnisse von DRST, darunter eine drastisch verkürzte Durchlaufzeit von wenigen Stunden (von der Datei bis zum fertigen Teil) und eine Reduzierung der Kosten von dreistelligen Beträgen auf nur noch wenige Dutzend Euro, sind heute ein überzeugendes Argument für eine Prozesskette, die diese Technologie einschließt.

DRST eröffnet die Möglichkeit, je nach der Größe und geometrischen Komplexität des jeweiligen Teils kleine und sogar mittlere und große Serien zu fertigen. Hersteller können zahlreiche Ersatzwerkzeuge zu sehr geringen Kosten herstellen. Für den Preis einer einzigen Präzisionsform aus Aluminium, die normalerweise etwa 10.000 Euro kostet, können 500 weiche Formen hergestellt werden, sodass große Mengen an Endprodukten in einem wesentlich schnelleren Prozess hergestellt werden können. Darüber hinaus lässt sich jedes Werkzeug nach Bedarf anpassen. Dies bietet Unternehmen die Möglichkeit, die Zeit bis zur Herstellung der ersten Teile zu reduzieren und während des Herstellungsprozesses entsprechend den Markt- und Kundenanforderungen Änderungen vorzunehmen.

Beim Vergleich von AM-DRST und herkömmlichem Spritzguss werden in der Regel Einsparungen im Zusammenhang mit der Produktentwicklungszeit und Kosten als größte Vorteile für den Einsatz von AM angesehen. Da Komplexität jedoch kein Problem für AM ist, könnte AM-DRST auch die Innovation beim Produktdesign und bei der Herstellung vorantreiben.

Der Autor Ziki Peled ist Senior Executive, Additive Division bei Nano Dimension.