3D-Druck Mikroproduktion: Ist additive Fertigung der schnellere Weg?

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Der Bedarf an sehr kleinen und gleichzeitig sehr komplexen Komponenten und Bauteilen steigt. Doch bislang war deren Herstellung mit langen Vorlaufzeiten und hohen Investitionen in Formen und Werkzeuge verbunden. Bieten additive Fertigungstechniken einen schnelleren Weg zur Mikroproduktion?

Elektronische Geräte werden immer dichter mit vielfältigen kleinen Komponenten bestückt, um immer mehr Funktionen unterzubringen. Im medizinischen Bereich werden winzige Komponenten hergestellt, um sie den Patienten direkt zu implantieren. Die Herstellung dieser kleinen, komplexen Hochpräzisionsteile ist jedoch mit langen Vorlaufzeiten und hohen Kosten verbunden.

Grenzen heutiger Herstellungsverfahren

Teile aus Kunststoff oder Polymer werden meist kostenintensiv im Mikro-Spritzgießen hergestellt. Auch die Mikro-CNC-Bearbeitung verursacht hohe Kosten. Die Herstellung von Formen und Werkzeugen für die winzigen Komponenten ebenfalls. Die Vorlaufkosten für den Werkzeug- und Formenbau liegen zwischen zehn- und hunderttausend Euro, was die Stückkosten besonders bei kleinen Serien in die Höhe treibt.

Prototypen und sogar Serien von Mikroteilen lassen sich im 3D-Druck kostengünstiger und mit mehr Designfreiheit herstellen, wenn die Anforderungen der Mikroproduktion erfüllt werden.

Anforderungen der Mikroproduktion

Diese Anforderungen beginnen mit einer hohen Genauigkeit und Präzision. Die Genauigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit, die gewünschten Abmessungen zu erreichen; zum Beispiel misst eine gedruckte 10-mm-Säule bei entsprechender Genauigkeit tatsächlich 10 mm. Präzision bezieht sich darauf, wie nahe einzelne Messungen einer Serie von gleichen Gegenständen beieinander liegen.

Ob additive Fertigungstechniken eine hohe Genauigkeit mit hoher Präzision erreichen, hängt von mehreren Faktoren ab. Zunächst sind dies die Auflösung der von softwaregelieferten Daten, das Materialverhalten (Schrumpfung oder Ausdehnung) sowie die Harzverteilung und Schichtdicke beim Druckvorgang. Doch letztendlich hängen alle diese Faktoren von der Toleranz des verwendeten Drucksystems ab. Bei weiten Maschinentoleranzen werden enge Abmessungen wohl kaum getroffen. Nur mit engen Maschinentoleranzen wird eine hohe Genauigkeit und Präzision erreicht.

Schnelle Fotopolymerisation mit UV-Lichtblitz

Die Projektionsmikro-Stereolithografie (kurz PμSL) wurde entwickelt, um die richtige Auflösung, Genauigkeit und Präzision für die Mikrofertigung zu erreichen. Als Form der Stereolithographie (SLA) erfordert sie eine Digital Light Processing Engine (DLP), eine Präzisionsoptik, eine hochgenauen Bewegungssteuerung und zugehörige Software. Wie bei SLA werden Bauteile in Schichten zerlegt und mit einer Lichtquelle auf flüssiges, fotosensitives Harz projiziert. An den belichteten Stellen finden eine polymere Vernetzung und Verfestigung statt. Bei der PμSL-Technologie bewirkt ein ultravioletter (UV) Lichtblitz die schnelle Fotopolymerisation einer ganzen Harzschicht. Um eine schnellere Verarbeitung zu gewährleisten, wird mit einer kontinuierlichen Belichtung gearbeitet.

Wie andere 3D-Druckverfahren beginnt PμSL mit einer 3D-CAD-Datei. Diese Datei wird in eine Reihe von 2D-Bildern geschnitten. Diese „Masken“ blenden bestimmte Bereiche einer Ebene ein oder aus. Jede neue Materialschicht entsteht nach einer solchen Rasterplatte, bis die gesamte 3D-Struktur vollständig ist. Zur Herstellung der Schichten werden die digitalen Rasterplatten an ein 3D-Drucksystem der Reihe microArch von BMF gesendet.

Mit PµSL zur Mikroproduktion

Damit dieses Verfahren Prototypen, kleine Chargen von Funktionsmustern und schließlich Kleinserien produziert, enthalten die Drucker eine Reihe fortschrittlicher Technologien. Dazu gehören hochpräzise Lineartische und lineare Messgeräte. Sie sorgen wie in Koordinatenmessgeräten für bidirektionale Positions-wiederholbarkeit, Ebenheit und Geradheit des Systems. Die Maschinentoleranzen liegen innerhalb von 3 μm. Justier- und Positioniermechanismen sorgen während des Druckvorgangs für eine genaue Ausrichtung und erlauben präzise Anpassungen.

Das optische System wurde so ausgelegt, dass die Projektion weniger als 0,5 Pixel Verzerrung aufweist, was bei den 2-μm-Systemen 1μm entspricht. Es gewährleistet eine Gleichmäßigkeit der Lichtintensität von über 90 Prozent.

Schließlich verwenden Systeme von BMF einen Software-Algorithmus zum Ausgleich von Toleranzüberlagerungen während des Druckvorgangs. Dadurch können die Drucker auch größere Teile ohne Qualitätseinbußen herstellen.

Welche Materialien sind verfügbar?

Ob sich diese Form des 3D-Drucks für die Mikrofertigung eignet, hängt zum Schluss noch von den verfügbaren Materialien und ihren Eigenschaften ab. Mikroteile werden in speziellen Bereichen eingesetzt, in denen sie oft hohe Anforderungen erfüllen müssen. Die kleinste Abweichung aufgrund Korrosion, Hitzeschäden oder durch ätzende Substanzen birgt hohe Risiken. Die Arbeit mit empfindlichen biologischen Elementen und Chemikalien für Geräte wie Arzneimittelpumpen erfordert die Auswahl eines Materials, das nicht mit den zu verabreichenden Chemikalien interagiert. Industrielle Steckverbinder müssen vor Umwelteinflüssen wie extremen Temperaturen oder Reinigungschemikalien geschützt werden.

Zu den UV-härtbaren Materialen gehören zahlreiche Kunststoffharze, die steif, zäh, hoch temperaturbeständig, biokompatibel, flexibel oder auch transparent sind. Zusätzlich zu zahlreichen technischen und biomedizinischen Kunststoffen unterstützt die PµSL-Technologie eine Verwendung von Hydrogelen und Verbundharzen, die Keramik- oder Metallpartikel enthalten.

BMF bietet eine offene Materialplattform – jeder Anwender kann nicht nur aus dem eigenen Angebot wählen, sondern alle am Markt verfügbaren Produkte testen und einsetzen. BMF arbeitet mit Drittanbietern und OEMs daran, die Materialpalette für spezifische Anwendungen zu erweitern.

Kostengünstiger Weg zur Mikroproduktion

Der 3D-Druck mit den Mikropräzisionssystemen von BMF bietet einen kostengünstigen Weg zur Mikroproduktion. Egal, ob Prototypen, Kleinserien oder Endprodukte – mit den heute verfügbaren Materialien lassen sich Teile herstellen, die bisher nicht machbar waren.

Bei Anwendungen im Mikrobereich, die in der Elektronik, Medizintechnik und anderen Branchen immer häufiger werden, führt der 3D-Druck von Hunderten oder Tausenden von Teilen zu echten wirtschaftlichen Einsparungen sowie besserer Reaktionsfähigkeit auf Änderungen von Produktdesign oder Marktbedingungen.

Der Autor Dr. Thomas Tosse ist Inhaber der Agentur Hightech Marketing in München.