Kleine Komponenten additiv fertigen

Der schnellste Weg zur Mikroproduktion

Der Bedarf an sehr kleinen, zugleich sehr komplexen Komponenten steigt in der Unterhaltungselektronik und bei MEMS (mikroelektromechanische Systeme), in Medizintechnik, Biowissenschaften und in vielen anderen Bereichen. Doch die Herstellung kleinster Bauteile war bisher mit langen Vorlaufzeiten und Investitionen in Formen und Werkzeuge verbunden. Können additive Fertigungstechniken einen schnelleren Weg zur Mikroproduktion bieten?

Diese auf Systemen von BMF 3D-gedruckten Teile mit speziellen Eigenschaften werden in vielen Branchen dringend gebraucht (Bild: BMF Precision Inc.)

Elektronische Geräte werden immer dichter mit vielfältigen kleinen Komponenten bestückt, um mehr Funktionen und Funktechnologien unterzubringen. Im medizinischen Bereich werden winzige Komponenten und Geräte hergestellt, um sie den Patienten direkt zu implantieren. Die Herstellung dieser kleinen, komplexen Hochpräzisionsteile bedeutet lange Vorlaufzeiten und hohe Fertigungskosten. Die heutigen Herstellungsverfahren setzen der Produktentwicklung enge Grenzen.

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 relativ kleinen Serien in die Höhe treibt.

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

Auflösung, Genauigkeit und Präzision

Diese beginnen mit einer hohen Genauigkeit und Präzision. Die Genauigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit, die gewünschten Abmessungen zu erreichen – beispielsweise misst eine gedruckte 10mm-Säule bei entsprechender Genauigkeit tatsächlich 10mm. 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 Software gelieferten Daten, das Materialverhalten (Schrumpfung oder Ausdehnung) sowie die Harzverteilung und Schichtdicke bei dem 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 hohe Genauigkeit und Präzision erreicht.

Projektionsmikro-Stereolithografie

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 hochgenaue 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 findet 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 ermöglichen wird mit kontinuierlicher Belichtung gearbeitet.

Wie andere 3D-Druckverfahren beginnt PµSL mit einer 3D-CAD-Datei, die in eine Reihe von 2D-Bildern geschnitten wird. 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.

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