Präzision im Mikromaßstab
Stereolithographie für kleine Bauteile
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.