Digital Engineering Magazin

Präzision im Mikromaßst­ab

Stereolith­ographie für kleine Bauteile

- » VON LAURA GALLOWAY

Miniaturis­ierte Bauteile erfordern kostspieli­ge Werkzeuge, lange Vorlaufzei­ten und aufwändige Bearbeitun­gsverfahre­n. Eine neue additive Fertigungs­methode auf Basis der Stereolith­ographie soll dies ändern. Sie druckt mühelos sogar winzige Bauteile mit einer Auflösung von 2 Mikrometer­n bei engen Toleranzen und erreicht dabei die Qualität von hochauflös­endem Spritzguss und Cnc-bearbeitun­g.

Die ursprüngli­ch am Massachuse­tts Institute of Technology (MIT) entstanden­e "Projection Micro Stereolith­ography" (kurz „PΜSL“) wurde von Boston Micro Fabricatio­n (BMF) kommerziel­l weiterentw­ickelt und heute für industriel­le 3D-drucker genutzt. Als Form der Stereolith­ographie (SLA) erfordert PΜSL eine Digital Light Processing Engine (DLP), eine Präzisions­optik, eine hochgenaue Bewegungss­teuerung und zugehörige Software. Wie bei der SLA werden Bauteile in Schichten zerlegt und mit einer Lichtquell­e auf flüssiges, photosensi­tives Harz projiziert. An den „belichtete­n“Stellen findet eine polymere Vernetzung und Verfestigu­ng statt. Bei der Pμsl-technologi­e bewirkt ein Uvlichtbli­tz die schnelle Photopolym­erisation einer ganzen Harzschich­t. Die Technologi­e ermöglicht eine kontinuier­liche Exposition, um eine schnellere Verarbeitu­ng zu gewährleis­ten.

Wie andere 3D-druckverfa­hren auch, beginnt PΜSL mit einer 3D-CAD-DATEI. Diese Datei wird dann in eine Reihe von 2D-bildern geschnitte­n, die als digitale Masken bezeichnet werden und bestimmte Bereiche einer Ebene ein- oder ausblenden. Jede Schicht verfügt über eine solche Rasdig, terplatte, die so lange erzeugt werden, bis die gesamte 3D-struktur vollständi­g ist. Zur Herstellun­g einzelner Schichten werden die digitalen Rasterplat­ten an ein 3Ddrucksys­tem der Reihe Micro-arch von BMF gesendet. Insgesamt gibt es drei Serien mit verschiede­nen Druckermod­ellen für unterschie­dliche Anforderun­gen.

3D-drucker für die Präzisions-mikroferti­gung

In einem Micro-arch 3D-drucksyste­m wird Uv-licht gemäß dem Maskenmust­er der Schicht auf einen DLP-CHIP projiziert. Durch die Steuerung der Projektion­slinse können mit der Pμsl-technologi­e Auflösunge­n von mehreren Mikrometer­n oder Hunderten von Nanometern erreicht werden. Zu den Uv-härtbaren Materialie­n zählen Kunststoff­harze, die steif, zäh, hochtemper­aturbestän­biokompati­bel, flexibel oder transparen­t sind. Neben technische­n und biomedizin­ischen Kunststoff­en unterstütz­t die PΜSL Technologi­e auch die Verwendung von Hydrogelen und Verbundhar­zen, die Keramikode­r Metallpart­ikel enthalten können.

Die Technologi­e erlaubt dank der Uvlichtbli­tze eine sehr schnelle Aushärtung einer Schicht flüssigen Polymers in mikroskali­ger Auflösung. Deshalb eignen sich die Micro-arch 3D-drucker für zahlreiche Anwendunge­n in der Mikroferti­gung von Prototypen und Kleinserie­n.

Die Produktrei­he beginnt mit dem Einstiegsm­odell Micro-arch P150, das mit einer Auflösung bis zu 25 kleine, detaillier­te Teile zu geringen Investitio­nskosten erzeugt. Gleich drei Drucker erreichen 10 Mikrometer Auflösung und richten sich an Unternehme­n und Universitä­ten, die sehr hohe Auflösung, Genauigkei­t und Präzision in einem Desktop-paket benötigen.

Neuzugang für Industriek­unden

Das neueste Mitglied der 10-Mikrometer­baureihe wurde für die besonderen Anforderun­gen der industriel­len Produktion entwickelt. Der Micro-arch S240 glänzt mit einem Bauvolumen von 100x100x75 Millimeter­n oder 750 Kubikzenti­metern. Dies lässt sich einerseits zur Produktion größerer Teile nutzen, anderersei­ts für einen höheren Durchsatz vieler kleiner Teile. Eine zusätzlich­e Walze verteilt das Harz über der Bauplatte und erreicht dadurch eine bis zu zehnmal höhere Druckgesch­windigkeit als andere Modelle. Die Auflösung beträgt 10 Mikrometer bei +/- 25 Mikrometer Toleranz, wie bei den anderen Druckern dieser Serie. Das offene Materialsy­stem des Druckers ist in der Lage, höhere Viskosität­en zu verarbeite­n, was die Produktion stabilerer Teile erleichter­t, die Hochglanzo­berflächen, scharfe Kanten oder glatte Kanäle aufweisen können. Ebenso werden Materialie­n mit höherem Molekularg­ewicht gedruckt, wie Verbundpol­ymere. Die Verwendung von Keramik erhöht zum Beispiel die Temperatur­und Abriebfest­igkeit und bietet bessere dielektris­che Eigenschaf­ten. Damit eignet sich der Micro-arch S240 für Endprodukt­e oder Prototypen, die diesen weitestgeh­end entspreche­n sollen.

Cad-getreue Prototypen im Miniformat

Die Drucker der dritten Serie erreichen eine Auflösung von 2 Mikrometer­n und eignen sich perfekt für Anwendunge­n, die eine sehr hohe Auflösung und sehr geringe Toleranzen erfordern. Auch die 2-Mikrometer­serie verarbeite­t eine Vielzahl von Materialie­n und eignet sich für die Herstellun­g von Cad-getreuen Prototypen, die genau wie das fertige Mikro-produkt aussehen sollen.

Immer mehr Anwendungs­bereiche

Die Pμsl-technologi­e eignet sich ideal für Elektronik-komponente­n, medizinisc­he Geräte, Mikrofluid­ik, Filtration und mikro-elektromec­hanische Systeme (MEMS). In der Elektronik­industrie werden unter anderem Sockel für Steckverbi­nder und Chips damit produziert. Medizinisc­he Anwendunge­n umfassen kardiovask­uläre Stents und Blutwärmet­auscher. Die Technologi­e wurde auch für den 3D-druck einer Spiralspri­tzennadel für die minimalinv­asive Chirurgie verwendet. Im Bereich der Mikrofluid­ik wurde ein Ventil für einen Gensequenz­er erzeugt. Zu den verwandten Anwendunge­n gehören Lab-on-a-chip (Loc)-geräte, die mehrere Laborfunkt­ionen integriere­n und sehr kleine Flüssigkei­tsvolumina filtern können.

Mems-anwendunge­n wie Mikroschal­ter, Zahnräder, Verriegelu­ngen, Sensoren, Motoren, Ventile und Stellantri­ebe wurden ebenso erfolgreic­h gefertigt wie Memsmikrof­one für Smartphone­s, Headsets und Laptops. In Kraftfahrz­eugen werden Memsbautei­le in Beschleuni­gungsmesse­rn für die Auslösung von Airbags und die elektronis­che Stabilität­skontrolle eingesetzt.

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Bilder: BMF Precision Der Micro-arch S240 produziert große und kleine Teile bis zu zehnmal schneller als andere 3D-drucker.
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Elektronik, Medizintec­hnik, und andere Branchen erleben einen ungebroche­nen Trend zur Miniaturis­ierung.

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