16.05.2022 – Kategorie: Fertigung & Prototyping

Mikroproduktion: 3D-Druck statt Spritzguss

MikroproduktionQuelle: BMF

Mit der Projektions-Mikro-Stereolithografie eröffnet Boston Micro Fabrication (BMF) Alternativen zum Spritzgießen ebenso wie zur CNC-Bearbeitung. In der additiven Fertigung mit Polymeren und Verbundwerkstoffen produzieren die 3D-Drucker Bauteile mit einer Druckauflösung von 2 μm.

Mikroproduktion in der Praxis: 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.

Neue Technologie

Gleichzeitig suchen Hersteller nach neuen Möglichkeiten, diese kleinen, aber hochdetaillierten Produkte und Komponenten zu fertigen. Denn die Nachfrage steigt, die herkömmlichen Fertigungsverfahren sind jedoch mit hohen Investitionskosten und langen Vorlaufzeiten verbunden. Deshalb bietet sich der 3D-Druck als Lösung 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.

Kostenvergleich: Mikroproduktion im Spritzgießen versus 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. Manche Anwendungen erreichen den Schnittpunkt schon bei wenigen hundert Teilen.

Dies liegt daran, dass die Bauteile aus normalen Kunststoffen hergestellt werden. Die geringen Materialkosten gleichen die hohen Vorlaufkosten teilweise aus, sodass die Bauteile im Vergleich zum 3D-Druck günstiger werden. Deshalb konnte sich 3D-Druck bisher nur bei 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 kundenspezifischen Anforderungen durchsetzen, etwa in der Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik oder Zahntechnik.

Neue Ausgangslage in der Mikroproduktion

Für die Mikroproduktion gelten diese Standardregeln nicht, ganz im Gegenteil: 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 eines herkömmlichen Granulats kostet, 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 müssen ein oder mehrere kostspielige 3D-Drucker angeschafft werden. 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.

Das 3D-Druck-Verfahren der Projektions-Mikro-Stereolithografie oder PµSL ähnelt Technologien wie SLA oder DLP, aber mit wichtigen Unterschieden. Die Technologie sorgt 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 nicht möglich sind.

Mikroproduktion
Der 3D-Drucker Microarch S230 arbeitet fünfmal schneller als die Vorgängermodelle. Bild: BMF

Die höchste Auflösung bis zu 2 µm bietet die Druckerserie, der das neue Modell Micro­arch S230 angehört. Der 3D-Drucker bietet Forschungslaboren und Herstellern, die Mikroteile mit engen Toleranzen als Prototypen oder Serienteile benötigen, eine hohe 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 2-μm-Serie. Zu den weiteren Hauptmerkmalen 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.

Erweitertes Materialsystem

BMF bietet ein offenes Materialsystem an. Anwender können mit speziell definierten Flüssigpolymeren von BMF oder mit anderen Materialen ihrer Wahl arbeiten. 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 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.

Fazit: 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.

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

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