Mikro- oder Nano-3D-Druck?

Insbesondere die mikroelektromechanischen Systeme (MEMS) und die Mikrofluidik sind zwei Branchen, die sich der Herausforderung, kleine Komponenten effizient und kostengünstig herzustellen, mit Nachdruck stellen.

John Kawola
CEO von Boston Micro Fabrication (BMF)

„Der Trend zur Miniaturisierung zeigt sich nach wie vor in fast jeder Branche. Wir identifizieren Anwendungen, die durch unsere Technologie erst möglich werden und entwickeln diese zusammen mit unseren Kunden.“

Der 3D-Druck bietet für besonders kleine Teile vom Prototyping bis zur Kleinserienfertigung eine attraktive Alternative zur Mikrobearbeitung und zum Mikrospritzguss. Dennoch können die meisten der aktuellen 3D-Druckplattformen detaillierte Merkmale von winzigen Teilen nicht mit der benötigten Genauigkeit, Auflösung und Präzision produzieren. Noch dazu ist die Produktion meist zeitaufwendig und kostspielig. Was bedeuten Mikro-3D-Druck und Nano-3D-Druck wirklich? Gerade die Begriffe Nano und Nanotechnologie werden vielfältig und manchmal ungenau verwendet. Objekte auf der Nanoskala sind nicht nur klein. Sie sind oft viel kleiner als das, was die Anwender eigentlich brauchen.

Diese auf Systemen von BMF 3D-gedruckten Teile mit speziellen Eigenschaften werden in vielen Branchen dringend gebraucht.

Eine Frage des Maßstabs

Nach Angaben des National Nanotechnology Institute (NNI), einer von der US-Regierung finanzierten Forschungs- und Entwicklungsinitiative, produziert die Nanotechnologie im Bereich von etwa 1 bis 100 Nanometern (nm). Ein Strang menschlicher DNA weist zum Vergleich einen Durchmesser von 2,5 nm auf. Auch die Mikrotechnologie produziert kleine Teile, aber im Vergleich zur Nanotechnologie sind sie um das Tausendfache größer. Die Maßeinheit Mikrometer (μm) oder auch Mikron ist also um den Faktor Tausend größer als 1 nm. Beispielsweise ist ein Strang der menschlichen DNA 0,0025 μm breit.

Wer kleine Teile 3D-drucken will, muss sich zunächst zwischen Nano und Mikro entscheiden, um die richtige Technologie auszuwählen. Zwischen 3D-Druck im Mikrobereich und Nano-3D-Druck gibt es wichtige Unterschiede. Im Vergleich zu Nano-3D-Druckern erfordern Mikro-3D-Drucker geringere Investitionen und arbeiten mit höherer Geschwindigkeit.

Mikromutter und Schraube mit M0.3-Gewinde im Vergleich zur Lasche einer Getränkedose.

Technologien im Vergleich

Mit der traditionellen Stereolithografie (SLA) lassen sich kleine Teile mit einer höchsten Auflösung von etwa 50 μm herstellen. Der Druck ist langsam und die Präzision bestenfalls mittelmäßig. Der PolyJet 3D-Druck ist schnell, aber auf größere Teile mit geringer Präzision beschränkt; die höchste XY-Auflösung beträgt 42 μm. Fused Deposition Modeling (FDM), eine weitere verbreitete 3DP-Technologie, druckt bei langsamen Geschwindigkeiten und erreicht eine XY-Auflösung von etwa 200 μm.

Nano-3D-Drucker können kleine Teile mit hoher Auflösung, Genauigkeit und Präzision herstellen, jedoch mit niedriger Geschwindigkeit. Die hohe Investitionssumme rechtfertigt sich nur für eine begrenzte Anzahl von Anwendungen. Einige Nano-3D-Drucker eignen sich sowohl für Teile im Nano- als auch im Mikrobereich, aber Preis und Geschwindigkeit schränken die Vielseitigkeit ein.

Auch Bauteile für die Mikrofluidik können auf Systemen von BMF präzise und wirtschaftlich gefertigt werden.

Praktisch und leistungsstark

Die PμSL-Technologie von Boston Micro Fabrication (BMF) ist eine neue 3D-Drucktechnologie zur Produktion von kleinen Teilen, die hohe Präzision, Auflösung und Genauigkeit bei hohen Geschwindigkeiten erfordern. Die Projektions-Mikro-Stereolithografie (PμSL), eine Form der SLA, ist weltweit die einzige Technologie, die in Bezug auf Größe, Auflösung und Toleranz dem Präzisionsspritzguss entspricht. Darüber hinaus bietet BMF eine offene Materialplattform und kooperiert mit Drittlieferanten und OEMs, um Materialien für spezifische Anwendungen bereitzustellen.

Der Mikro-3D-Druck eignet sich für Teile wie kleine elektrische Anschlüsse, kardiovaskuläre Stents, mikrofluidische Geräte und mikro-elektromechanische Systeme (MEMS). Ein Nano-3D-Drucker könnte diese mikroskopisch kleinen Teile ebenfalls herstellen, doch die Verarbeitungszeit ist für gewerbliche, medizinische oder industrielle Anwendungen zu lang. Darüber hinaus ist PμSL in der Lage, Teile mit Millimeter-Abmessungen herzustellen, die weitaus häufiger anzutreffen sind als Teile im Nanobereich. TPP-DLW, die laserbasierte Technologie hinter dem 3D-Nanodruck, bleibt ultrapräzise, aber extrem langsam. Im Gegensatz dazu arbeitet PμSL schnell, da ein ultravioletter (UV) Lichtblitz die sofortige Photopolymerisation einer ganzen Harzschicht bewirkt, wobei eine kontinuierliche Exposition die Verarbeitung weiter beschleunigt. Bei Teilen mit Abmessungen im einstelligen Mikrometerbereich kann PμSL mit Nano-3D-Druckern konkurrieren.

Als erster 3D-Hybriddrucker im Mikrobereich kombiniert der microArch D1025 zwei verschiedene Auflösungen in einem Druckvorgang.

Kurz-Interview: 3D-Druck und der Trend zur Miniaturisierung

Im Gespräch erläutert John Kawola, CEO von Boston Micro Fabrication (BMF) die Strategie des Unternehmens.

Bauteile werden per UV-Licht in Schichten aus flüssigem Harz ausgehärtet.

Warum konzentriert sich BMF auf besonders kleine Bauteile?

Der Trend zur Miniaturisierung zeigt sich nach wie vor in fast jeder Branche. Je kleiner die Teile werden, umso schwieriger wird die Entwicklung, desto komplizierter und teurer wird die Herstellung. In den meisten Anwendungsfällen haben technologische Barrieren die Additive Fertigung bisher ausgeschlossen. Wir haben den 3D-Druck in Bereiche wie Mikrofluidik, MEMS oder Medizintechnik eingeführt.

Projection Micro Stereolithography (PµSL)-Drucker grenzen sich von anderen 3D-Druckverfahren ab, indem sie die Vorteile der DLP- und SLA-Technologien nutzen.

Welche Vorteile bringt dies für die Anwender?

Der 3D-Druck mit unserem Verfahren bringt gegenüber herkömmlichen Fertigungsmethoden drei Hauptvorteile: Erstens verkürzen sich Vorlaufzeiten gegenüber anderen Fertigungsverfahren, etwa durch den Wegfall des Werkzeugbaus. Zweitens verringern sich die Kosten durch Einsparung von Werkzeugen und Vorrichtungen. Drittens erhalten Entwickler zusätzliche Gestaltungsfreiheit bei der Geometrie, verbunden mit der Möglichkeit, in kurzer Zeit viele Iterationsschleifen durchzuführen.

Gegenüberstellung von Genauigkeit und Präzision.

Rechnet sich 3D-Druck bei der Serienfertigung von Mikro-Bauteilen?

Ein wichtiger Aspekt des 3D-Drucks im Mikroformat ist die Skalierung, also möglichst viele Bauteile in einer Charge auf einmal zu produzieren. Auf einer Grundfläche von lediglich 100 x 100 mm lassen sich Hunderte von Mikrobauteilen unterbringen. Dies führt zum idealen Kompromiss zwischen Effizienz und Produktivität.

Welche Entwicklungen haben wir in der Zukunft zu erwarten?

Einerseits entwickeln wir neue Anwendungen zusammen mit unseren Kunden. Andererseits identifizieren wir neue Anwendungen, die durch unsere Technologie überhaupt erst herzustellen sind. Dazu haben wir unser Forschungsinstitut in San Diego im US-Bundesstaat Kalifornien gegründet. Das dort errichtete Lab konzentriert sich speziell auf die pharmazeutische Industrie und sogenannte Lab-on-a-Chip-Technologien.