BMF microArch S230: Mikro- oder Nano-3D-Druck

Steckverbinder, in einer Vielzahl von kleinen elektronischen Geräten verwendet, können mit Mikro-3D-Druckern in geringen Stückzahlen produziert werden.

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.

Auch Ventilkomponenten der Mikrofluidik können mit der Technologie in geringen Stückzahlen als Prototypen oder Serienteile produziert werden.

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. Damit ist ein Strang der menschlichen entsprechenden DNA 0,0025 μm breit.

Konstrukteure, die kleine Teile 3D-drucken wollen, brauchen das Verständnis von Nano und Mikro zur Auswahl der richtigen Technologie. Zwar ist der Mikro-3D-Druck im Mikrometerbereich und der Nano-3D-Druck im Nanometerbereich angesiedelt, dennoch gibt es wichtige Unterschiede. Im Vergleich zu Nano-3D-Druckern sind Mikro-3D-Drucker preisgünstiger und arbeiten mit höherer Geschwindigkeit. Auch die mögliche Auflösung, Genauigkeit und Präzision müssen berücksichtigt werden.

Der neue Mikropräzisions-3D-Drucker von BMF, der microArch S230 bietet 2 μm Auflösung, ein Bauvolumen von 50 x 50 x 50 Millimetern und bis zu fünfmal schnelleres Drucken als die Vorgängermodelle.

Auflösung, Genauigkeit und Präzision

Der Begriff Auflösung im Sinne der Additiven Fertigung muss dazu erläutert werden. Da 3D-Drucker Teile in drei Dimensionen produzieren, gibt es Werte für die XY-Ebene und eine Schichthöhe oder -dicke für die Auflösung in der Z-Achse. Beide Zahlen sind wichtig, aber der XY-Wert hat eine stärkere Bedeutung für die Druckqualität und Oberflächenbeschaffenheit. Es zählen auch nicht nur die Außenmaße eines Teils. Denn viele größere Komponenten enthalten winzige Löcher, scharfe Kanten oder stiftähnliche Vorsprünge, die ebenso abgebildet werden müssen.

Die Genauigkeit ist ein weiterer Schlüsselparameter und bezieht sich auf die Fähigkeit des 3D-Druckers, die gewünschten Abmessungen zu erreichen. Stellen Sie sich ein stabförmiges Teil vor, das 10 μm lang sein muss. Ein Drucker, der ein Teil mit diesem exakten Maß herstellt, weist einen hohen Genauigkeitsgrad auf. Ein System, das ein Teil mit 11 μm Auflösung druckt, ist weniger genau. Natürlich muss die Materialschrumpfung berücksichtigt werden. Solange ein Teil nicht den vom Benutzer geforderten Abmessungen entspricht, ist es nicht genau genug.

Präzision bezieht sich darauf, wie nah Messungen desselben Gegenstands beieinander liegen. Ein klassisches Beispiel für den Unterschied zwischen Präzision und Genauigkeit liefert das Dartspiel. Die Darts sind präzise geworfen, wenn alle Darts sehr nah beieinander liegen, aber nicht genau, wenn sie dabei weit entfernt vom Zielpunkt landen. Genauigkeit und Präzision sind erreicht, wenn die Pfeile nahe am Zielpunkt und nahe beieinander landen.

Kleine, medizintechnische Komponenten werden erfolgreich mit microArch-Druckern hergestellt.

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-Punktauflösung 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 niedrigen Geschwindigkeiten. Hohe Investitionen rechtfertigen sich nur für eine begrenzte Anzahl von Anwendungen. Einige Nano-3D-Drucker eignen sich für Teile im Nano- als auch im Mikrometerbereich, aber die Kompromisse bei Preis und Geschwindigkeit schränken die Vielseitigkeit ein.

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 eine 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 mikroelektromechanische 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. 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.