BMF microArch S230: Mikroformen und Mikro-3D-Druck im Vergleich

Die Mikroteile können nach dem 3D-Druck mit Metall beschichtet werden. (Bilder: BMF Precision Inc.)

Mikroformen und 3D-Druck im Mikromaßstab unterscheiden sich hinsichtlich der Materialien ebenso wie im Anwendungsbereich: In der Regel wird die Mikroformung zur Großserienproduktion eingesetzt. Im Gegensatz dazu wird der mikroskalige 3D-Druck für die Herstellung von Prototypen und kleineren Stückzahlen genutzt. Doch es gibt noch weitere wichtige Unterschiede zwischen den Mikrofertigungsverfahren. In diesem Artikel werden die Funktionsweisen der beiden Verfahren und ihre jeweiligen Vorteile kurz erläutert.

Auch mikrofluidische Geräte können mit dem PµSL-Verfahren hergestellt werden.

So funktioniert Mikroumformung

Die Mikroumformung umfasst als eine Art der Metallumformung das Ziehen, Schmieden, Walzen und Biegen. Daneben gibt es auch eine Art der Ultraschall-Metallumformung, die Vorteile wie höhere Produktionsgeschwindigkeiten, geringeren Werkzeugverschleiß und eine bessere Oberflächenqualität bietet. Doch diese funktioniert nicht im Mikrobereich. Bei der Impulsstrom-Mikroumformung, einer Variante der Mikroumformung, wirkt elektrischer Strom auf dünnwandige Teile ein.

Der microArch S230 erzeugt einen ultrahochauflösenden, großflächigen Druck, der im Prototyping und der Kleinserienfertigung eingesetzt wird.

Wie arbeitet Projektionsmikro-Stereolithografie (PµSL)

Das von Boston Micro Fabrication (BMF) entwickelte und angewandte Verfahren der Projektions-Mikro-Stereolithografie (PµSL) ermöglicht den 3D-Druck von Bauteilen in einer Auflösung von 2 µ und einer Maßstabstreue von +/- 10 Mikrometer. Die nach dem PµSL-Verfahren arbeitenden 3D-Drucker verbinden die Vorteile des Digital Light Processing (DLP) und der Stereolithografie und heben sich dadurch von anderen Technologien ab.

Bei PµSL löst ein UV-Blitz bei einer Auflösung im Mikrobereich die schnelle Photopolymerisation einer ganzen Schicht von Kunstharz bei ultrahoher Genauigkeit, Präzision und Auflösung aus, die man mit anderen Technologien nicht erreichen kann. Höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten ermöglicht PµSL durch kontinuierliche Belichtungen.

Die Vor- und Nachteile der Mikroformung

Das Mikroformen eignet sich für die Massenproduktion von sehr kleinen Metallteilen mit feinen Merkmalen. In der Großserienproduktion ersetzt sie konventionelle Fertigungsmethoden. Allerdings sind Verformungs- und Versagensverhalten der mikroformbaren Werkstoffe noch nicht gut erforscht. Das Verhalten unterscheidet sich aber erheblich von dem jener Werkstoffe, die sich für herkömmliche Umformverfahren eignen. Die Mikroumformung kann auch in sequenziellen Prozessen erfolgen, was höhere Zeit und Werkzeugkosten in den Projekten bedeutet. Im Gegensatz dazu erzeugt der 3D-Druck im Mikromaßstab alle Bauteilfeatures werkzeuglos.

Gemeinsamkeiten der beiden Fertigungsverfahren

Sowohl Mikroumformung als auch 3D-Druck im Mikromaßstab eignen sich für Teile mit Abmessungen von weniger als einem Millimeter. Beide Mikrofertigungsverfahren erzeugen heute für zahlreiche Anwendungen gleichartige Teile. Dies gilt sogar für sehr kleine Teile mit geringen Mindestabmessungen, die in Mikrometern (µm) gemessen werden und einen hohen Auflösungsgrad haben.

Unterschiede der beiden Fertigungsverfahren

Bei der Mikroumformung wird ein Ausgangsmaterial wie eine Metallfolie oder ein Blech zugeschnitten und in die gewünschte Form gebracht. Dazu dienen Werkzeuge wie Diamantmatrizen. Anschließend folgen oft Mikrobearbeitungen, bis alle gewünschten Teilemerkmale ausgearbeitet sind. Im additiven Mikro-3D-Druck wird ein Bauteil ohne Werkzeuge aus flüssigen Polymerharzen komplett neu aufgebaut. Dies bietet eine größere Designfreiheit für komplizierte 3D-Geometrien und erfordert anschließend keine mechanische Bearbeitung.

Mögliches Bauteilspektrum

In Prozessen der Mikroumformung werden sehr kleine Metallteile für medizinische Geräte, mikroelektromechanische Systeme (MEMS), Elektronik, biotechnologische Anwendungen und optische Geräte hergestellt. Beispiele dafür sind etwa Miniaturschrauben, Mikrozahnräder, Mikrostifte, Chip-Führungsrahmen, Kontaktfedern, Sockel, Mikroturbinen, Mikrowellen und IC-Sockel. Mikrogeformte Teile werden auch in Computern und Smartphones verwendet.

Viele dieser Teile für medizinische Geräte, Elektronik und MEMS-Geräte lassen sich mit der PµSL-Technologie herstellen. Der Mikro-3D-Druck eignet sich darüber hinaus für mikrofluidische Komponenten sowie Anwendungen in Ausbildung und Forschung. Für medizinische Geräte werden die biokompatiblen Polymere von BMF verwendet, für elektronische Komponenten kommen Photopolymerharze mit hoher Hitzebeständigkeit in Betracht. Mikrofluidische Geräte wie ein Labor auf einem Chip (LOC) erfordern stattdessen Polymere mit guten biochemischen Eigenschaften.

Neue Technologie für Mikro-3D-Druck

Die PµSL-Technologie erweitert die Möglichkeiten der Mikrokomponenten und wird in der Forschung und Entwicklung an Universitäten eingesetzt, um das Produktdesign, die Arzneimittelforschung und die Mikrofiltration zu optimieren. Die Technologie kann anisotrope Strukturen erzeugen, bei denen ein 3D-gedrucktes Modell in verschiedenen Richtungen unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweist. So kann eine Struktur zur Energieabsorption und Dämpfung in einer Richtung komprimierbar sein, während sie in einer anderen Richtung Steifigkeit für die Lastaufnahme bietet.

Mit den Fortschritten im 3D-Druck und der steigenden Nachfrage nach immer kleineren Produkten wird die Bedeutung der Additiven Fertigung für komplexe Teile weiter steigen. Die Produktionsbarrieren in technischen Anforderungen und Wirtschaftlichkeit werden für den 3D-Druck sinken. Damit zeigt sich der größte Nutzen dieser Technologien vor allem bei kleinsten Bauteilen, die schwierig herzustellen sind.