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Hochpräzise Mikroteile gewinnen in verschiedenen Industriezweigen, wie beispielsweise der Biomedizin, zunehmend an Bedeutung. Die meisten Anwendungen dieser Teile erfordern ein hochpräzises Design und schnelle, kontinuierliche Anpassungen. Mit den bisher üblichen subtraktiven Fertigungsverfahren wie CNC, EDM, Maskenlithografie oder SLA-3D-Druck ist es eine Herausforderung, diese Teile schnell und präzise herzustellen. Dazu gehören Mikrolinsen mit Rauheiten unter 10 nm, Mikronadeln mit 5 µm-Spitzen, Mikrodüsen mit Öffnungen unter 20 µm oder Mikrofluidik-Chips mit speziellen Filtern. Durch die Kombination additiver Fertigungsverfahren wie des 2-Photonen-Polymerisations-µ-3D-Druckes (kurz 2PP 3D-Druck) und des Mikrospritzgusses ist es erstmals möglich, diese technologische Barriere in der Werkzeugherstellung zu überwinden. Die dafür notwendige Expertise ist die Stärke des Start-ups Nanovoxel aus Wien.
Wunsch nach kürzeren Entwicklungszeiten im Mikrospritzguss
Vor etwa zwei Jahrzehnten leisteten einige Maschinenbauer Pionierarbeit in der Entwicklung spezieller Spritzgießanlagen, darunter auch Wittmann Battenfeld mit seiner Micropower 15 t für die Produktion von Präzisionsteilen im Mikrobereich. Trotz des Fortschritts im Formenbau sind die Spritzgussformen der limitierende Faktor für eine effiziente Produktion. Diese unterliegen Designeinschränkungen, hohen Anschaffungskosten und langen Lieferzeiten, insbesondere für hochpräzise Mikroteile. Größere Toleranzen (± 30 µm) werden von Kunden widerstrebend geduldet, jedoch werden zunehmend Forderungen nach kürzeren Lieferzeiten und kleineren, präziseren Details laut, insbesondere bei der Entwicklung von Prototypen.
Der 2-PP µ-3D-Drucker funktioniert nach dem Prinzip einer nicht linearen Absorption von Photonen mit der Bezeichnung „Zwei-Photonen-Polymerisation“ (2PP). Ein Femtosekundenlaser emittiert einen eng gebündelten Strahl mit Wirkung auf lichtempfindliches Kunstharz. Die Scanner-Einheit bewegt den Laserstrahl über Galvano-Spiegel und Linsensysteme zum Aushärten des Harzes. Ähnlich wie beim SLA/DLP-3D-Druck löst das absorbierte Licht eine chemische Reaktion im Kunstharz aus, wodurch dieses im Brennpunkt des Laserstrahls polymerisiert und gehärtet wird.
2PP-Technologie: Kontrolle in alle drei Raumrichtungen
Anders als bei herkömmlichen 3D-Druck-Technologien ermöglicht die 2PP-Technologie eine präzise Kontrolle in allen drei Raumrichtungen. So werden auch Löcher und Kavitäten vollkommen rund abgebildet. So entstehen Abbildungen von komplexen 3D-Mikrostrukturen mit Sub-Mikrometer-Genauigkeit bis in den Nanometer-Bereich hinein. Mikroteile lassen sich innerhalb von wenigen Stunden aus einer 3D-CAD-Datei mit höchster Präzision abdrucken. Toleranzen unterhalb von 1 µm, Strukturen bis in den 200 nm-Bereich und Oberflächengüte mit einer durchschnittlichen Rauigkeit unterhalb von 10 nm können mit dieser additiven Herstellungsmethode schnell und wirtschaftlich gefertigt werden. Auch Geometrien, die im Spritzguss nicht realisierbar sind, beispielsweise aufgrund von Hinterschneidungen, lassen sich durch den 2PP 3D-Druck schnell herstellen.
Angesichts der sowohl beim Mikrospritzguss als auch beim Mikro-3D-Druck vorhandenen Einschränkungen stellt sich die Frage, was man noch verändern kann, um die Durchlaufzeiten ohne Einbußen bei der Präzision zu erhöhen. Als Lösung kombiniert Nanovoxel die Vorteile beider Verfahren miteinander durch Verknüpfung von 2PP-Druck mit Mikrospritzguss als Kerngeschäft des Unternehmens. Durch die schnelle Herstellung hochpräziser Werkzeuge für den Mikrospritzguss mittels 2PP-3D-Druck wird die Präzision und hohe Auflösung des 2PP-Verfahrens mit größtmöglicher Effizienz auf Mikro-Spritzgussteile übertragen.
Dienstleistungsplattform für Fertigungslösungen
Nanovoxel hat sich zum Ziel gesetzt, eine Dienstleistungsplattform aus einer Hand mit einem flexiblen und vielseitigen Angebot an Fertigungslösungen aufzubauen, um sich so zu einem der fortschrittlichsten Unternehmen im Bereich Mikro-Fertigung zu entwickeln. Das aus Fachleuten verschiedener Disziplinen zusammengesetzte Team von Nanovoxel kombiniert die verschiedenen Technologien miteinander, um als Dienstleister ein breites Angebot vom Prototypen bis hin zur Massenproduktion abzudecken. Durch diese Dienstleistung konnte der Zeitplan für die Realisierung von Strukturen auf Lieferzeiten von lediglich zwei Wochen verkürzt werden. Dadurch hat Nanovoxel einen bisher nicht für realisierbar gehaltenen Durchbruch im Spritzgießen von Mikroteilen erzielt und das Abformen von winzigen, detaillierten Strukturen mit hoher Präzision und Wiederholgenauigkeit ermöglicht. Die Toleranzen liegen im Bereich von nur wenigen Mikrometern. Außerdem lassen sich mittels hochpräzisen 2PP-3D-Druck auch Kavitäten für größere Teilen mit Strukturen im einstelligen Mikron-Bereich herstellen, deren Produktion heutzutage extrem zeitaufwendig, teuer oder sogar unmöglich wäre.
Ein Beispiel für die von Nanovoxel gebotenen Dienstleistungen ist die Entwicklung und Herstellung eines Endoskops für das Unternehmen AI Endoscopic. Zu Beginn der Prototypen-Entwicklung wurden die einzelnen Segmente des Endoskops zwecks Durchführung von Geometrie-Tests und Optimierung in verschiedenen Design-Varianten 3D-gedruckt. Nach Validierung des Designs durch den Kunden wurden anschließend Teile im Mikro-Spritzguss mit dem spezifiziertem Original-Material hergestellt. Somit konnten die Bauteile auf die gewünschten mechanischen und funktionellen Spezifikationen mit Original-Material getestet und validiert werden. Der gesamte Herstellungsprozess einschließlich den Nachbesserungen wurde innerhalb von fünf Wochen abgeschlossen.
Auch Einsatz von robusten Rohstoffen möglich
Die Kompetenz von Nanovoxel, verschiedene Prozesse miteinander zu kombinieren, einschließlich Mastering, Gießen, Sintern und µ-Spritzguss ermöglicht es, Werkzeuge mit einem Höchstmaß an Präzision herzustellen. Und dies nicht nur aus Photopolymeren, sondern auch aus robusteren Rohstoffen wie Epoxidharz, Glas, Keramik oder Metall.
Um bei den Werkzeugen diese Präzision zu erreichen, nutzt das Unternehmen die Micropower 15 t von Spritzgießmaschinenhersteller Wittmann Battenfeld. Mit 150 kN Schließkraft sind die Maschinen der Micropower-Serie speziell für die wirtschaftliche Herstellung von extrem kleinen Teilen bis hin zum Mikro-Bereich mit hoher Präzision und Wiederholgenauigkeit konzipiert. Durch ein zweistufiges Schnecken-Kolben-Spritzaggregat mit einem Schussvolumen von 1,2 bis 6,0 cm3 wird thermisch homogenes Material eingespritzt. Auf diese Weise lassen sich hochpräzise Teile in einem extrem stabilen Produktionsprozess innerhalb von sehr kurzen Zykluszeiten fertigen.
Reinraumtaugliche Maschine für hochpräzisen Mikrospritzguss
Das besondere Design der Maschine ermöglicht es, mit dem Einspritzkolben nahezu bis zur Trennebene des Werkzeugs zu gelangen. So wird das Massepolster auf ein Minimum reduziert. Außerdem ist die Maschine schon im Standard optimal für die Produktion unter Reinraum-Bedingungen ausgelegt, da sie als allseitig geschlossene Gehäusezelle konzipiert ist. Die Gehäusezelle bietet ausreichend Platz für die Integration von Ausrüstungsoptionen wie Drehtisch, Roboter, Materialtrockner oder Temperiergeräte. Roboter und Peripheriegeräte von Wittmann wurden speziell für diese Maschine konzipiert. Alle Antriebsmodule des vollelektrischen Antriebssystems inklusive aller mechanischen Komponenten sind mit reinigungsfreundlichen Gehäusen gekapselt.
Die Kombination von 2PP-Druck mit Spritzgießen im µ-Bereich beschränkt sich keineswegs nur auf die schnelle Entwicklung von Präzisionswerkzeugen. Nanovoxel kann auch direkt auf verschiedenste Materialien drucken, die mit anderen Verfahren hergestellt wurden, und somit verschiedene Materialeigenschaften kombinieren. Dies ermöglicht maßgeschneiderte Lösungen bei der Produktentwicklung und Fertigung von Prototypen bis zu der Serienproduktion.
Zum Spritzgießmaschinenhersteller:
www.wittmann-group.com
Auf der Fakuma: Halle B1, Stand 1204
