Präzise Mikrobauteile aus dem 3D-Drucker

Auf der Formnext, der internationalen Leitmesse für additive Fertigung in Frankfurt a.M., zeigte Nanoscribe in der vergangenen Woche, wie additive Herstellungsverfahren für allerkleinste Skalen mit konventionellen Fertigungstechnologien kombiniert werden können.

Komplexe Designs, schnelle Iterationsprozesse sowie kürzere Produktlebenszyklen verlangen von den Herstellern mikro-optischer, mikro-elektronischer oder auch mikrofluidischer Komponenten eine immer größere Flexibilität. Dabei stellt insbesondere die Produktion von Freiformstrukturen mit Auflösungen unter 10 µm eine Herausforderung dar, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden schwer zu bedienen ist.

Mit dem Photonic Professional GT hat Nanoscribe ein wertvolles Werkzeug zur additiven Fertigung nahezu beliebig komplexer Kunststoffteile mit Bauhöhen bis hin zu mehreren Millimetern entwickelt. Durch die zugrundeliegende Technologie des direkten Laserschreibens in photosensitive Materialien wird damit die direkte und schnelle Fertigung von Polymer-Mastern aus vorhandenen CAD-Daten möglich, die im Anschluss als Urform für Werkzeuge für abformende Verfahren wie Spritzguss oder Heißprägen Verwendung finden können.

Polymer-Master als Werkzeug

Auf diese Weise lassen sich beispielsweise mikro-optische Elemente wie Mikrolinsen, Prismen oder Retroreflektoren mit hoher Formgenauigkeit additiv fertigen, was zum Beispiel der Medizintechnik oder Smartphone-Industrie gänzlich neue Perspektiven eröffnet. Diese 3D-gedruckten Mikro-Optiken können senkrechte Steigungen, scharfe Kanten, asymmetrische Geometrien und Arrays aus verschiedenen Elementen aufweisen und als Polymermaster dienen. Mittels Galvano-Formung kann der Polymer-Master danach in einen Nickel- Shim abgeformt werden. Dabei wird die 3D-gedruckte Polymerstruktur mit einer dünnen Metallschicht besputtert und ein Nickel-Shim galvanisch darauf abgeschieden. Die auf diese Weise hergestellte Replikationsform lässt sich in die Prozesskette verschiedener Spritzgussverfahren integrieren und stellt somit die Basis für weitere Serienfertigungsprozesse dar.

Der Prozess

Die Nanoscribe Geräte arbeiten auf Basis der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP), bei der ein Laserstrahl ein photosensitives Material belichtet, um dieses im Fokus auszuhärten. In einem Lage-für-Lage Verfahren können so nahezu beliebig-designte 3D-Polymerstrukturen gedruckt werden. Mit dem laserlithografischen Verfahren ist es möglich, Submikrometerdetails bis hinunter zu 200 nm Linienbreite zu erzielen, das heißt, höchste Präzision auf einigen Millimetern Kantenlänge oder mikrostrukturierte Oberflächen mit Ausdehnungen bis in den Quadratzentimeterbereich. Da herkömmliche Verfahren wie die Stereolithografie bei Schichtdicken von 50 – 150 µm an ihre Grenzen stoßen, können dank dieses Verfahrens nun auch bisher nicht additiv fertigbare Teile gedruckt werden.

In einem einfachen Workflow unterstützt die Software dabei den Druckprozess mit dem Import von STL-Daten, einer 3D-Vorschau des Schreibprozesses, einer Livecam zum Beobachten des Druckprozesses sowie einer bedienerfreundlichen Benutzeroberfläche für die Auswahl sogenannter Rezepte. Diese enthalten technische Parametereinstellungen und sorgen weitestgehend automatisiert dafür, den Druckprozess auf unterschiedliche Leistungsmerkmale wie Geschwindigkeit, Oberflächenbeschaffenheit oder Formtreue zu optimieren wie man es auch von manchen konventionellen 3D-Druckerstandards kennt.
Um die Leistungsstärke der Geräte optimal zu nutzen und bestmögliche Druckergebnisse zu erzielen, bietet Nanoscribe für seine Geräte maßgeschneiderte Druckmaterialien, die höchste mechanische Stabilität, Formtreue und Oberflächenglattheit garantieren. Allerdings eignen sich auch eine Vielzahl anderer photosensitiver Materialien für den Druckprozess. So wurden bereits Strukturen aus biokompatiblen, biodegradierbaren, hydrophoben und hydrophilen Polymermaterialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften sowie aus Hydrogelen gedruckt. Je nach Anwendung können die Polymerstrukturen auf verschiedenen Substraten (zum Beispiel Glas- oder Silizium-Wafer) hergestellt werden.

Von Mikro bis Makro

Neben mikrostrukturierten Oberflächen und µ-Bauteilen lassen sich mit dem Photonic Professional GT auch hochpräzise mechanische Komponenten in der Größenordnung einiger Millimeter drucken, wie zum Beispiel miniaturisierte Zahnräder, Klammern, Schrauben oder Spiralen. Insbesondere die Uhren- und MEMS-Industrie sowie die Medizintechnik verlangen nach solch innovativen Lösungen, um Produktentwicklungsprozesse und Iterationsphasen weiter zu verkürzen.

Bild: 3D-Drucker für Nano- und Mikrostrukturen: Photonic Professional GT.