#3DStartup: Mechnano über die Entwicklung von AM-Materialien mit herausragenden Eigenschaften

Obwohl das Hauptaugenmerk bei der additiven Fertigung auf den Verfahren selbst liegt, spielen die Materialien eine große Rolle für die endgültigen Eigenschaften und Merkmale eines Teils. Aus diesem Grund konzentrieren sich Forschung und Entwicklung immer mehr auf die Entwicklung neuer Materialien für den 3D-Druck, seien es Verbundstoffe, Metalle oder Kunststoffe. Zu den Unternehmen, die an innovativen Lösungen arbeiten, gehört das in Arizona ansässige Unternehmen Mechnano, das als erstes Kohlenstoffnanoröhren in Harze einbringt, um deren Eigenschaften zu verbessern, z. B. die Festigkeit oder die ESD-Beständigkeit. Wir sprachen mit Mechnano, um mehr über seine Harze, die Bedeutung antistatischer Materialien und mehr zu erfahren.

3DN: Könnten Sie sich selbst und Ihren Bezug zum 3D-Druck vorstellen?

Gerne. Mein Name ist Olga Ivanova, auch „Dr. O“ genannt. Ich bin Direktorin für Anwendungen und Technologie bei Mechnano. Ich habe in Chemie promoviert und mich auf Nanomaterialien spezialisiert. Auf der Suche nach einer Postdoc-Stelle wollte ich eine neue Technologie oder ein wissenschaftliches Gebiet erforschen und gleichzeitig einen wertvollen Beitrag zu einem Team leisten. Da stieß ich auf eine offene Stelle an der Virginia Tech, die sich mit Nanokompositen für den 3D-Druck befasste.

Olga „Dr. O“ Ivanova

Damals wusste ich noch nichts über den 3D-Druck und ich widmete meine Zeit dem Verstehen dieser Technologie, indem ich viele Artikel las, im Internet recherchierte und mir Videos über die Verfahren ansah. Es dauerte nicht lange, bis ich eine Begeisterung für diese Technologie entwickelte. Ich ergriff die Gelegenheit und sicherte mir den Job, was den Beginn meiner Reise in die additive Fertigung markierte.

3DN: Wie kam es zur Gründung von Mechnano?

Die ursprüngliche Vision der Gründer von Mechnano, Steven Lowder und Scott Gillette, bestand darin, diskrete Kohlenstoffnanoröhren (CNT) in AM-Materialien zu integrieren, um deren Eigenschaften zu verbessern. Durch ihre Interaktion mit der AM-Gemeinschaft und umfangreiche Marktforschung wurden diese Ideen erheblich weiterentwickelt. Mechnano erhielt starke Unterstützung von wichtigen Interessenvertretern, die bestätigten, dass, wenn diskrete CNTs die erwarteten Verbesserungen der Materialeigenschaften bieten könnten, diese Technologie AM in die Lage versetzen würde, mit traditionellen Herstellungsmethoden effektiv zu konkurrieren.

Während wir an der Funktionalisierung von CNTs für AM arbeiteten und unsere ersten Materialformulierungen unter Verwendung dieser Nanotechnologie gründlich validierten, stellten wir uns erfolgreich den Herausforderungen, die mit der Markteinführung einer neuen Technologie als Startup verbunden sind. Während dieses Prozesses begannen wir das Ausmaß der Marktlücke zu begreifen, die durch das Angebot von nano-uniformen ESD-Harzen geschlossen werden könnte. Dies bezieht sich auf Harze, die in der Lage sind, Teile mit einem konsistenten ESD-Wert zu produzieren, im Gegensatz zu den variablen ESD-Werten, die in Konkurrenzprodukten zu finden sind und Schwierigkeiten in der Elektronikfertigung verursachen. Infolgedessen haben wir unseren Geschäftsplan und unsere Markteinführungsstrategie auf unsere Entdeckungen abgestimmt.

Mechnano ist bekannt für seine besonderen Harze, die durch den Einsatz von CNTs verbessert wurden

Daher liegt unser Hauptaugenmerk auf ESD-Produkten. Wir bieten unseren Formulierungspartnern Masterbatches als solide Basis für die Entwicklung innovativer Materialien. Dieser einzigartige Ansatz „Collaborator via Masterbatch“ hat es uns ermöglicht, eine Reihe von ESD-Produkten auf den Markt zu bringen. Dazu gehören ein widerstandsfähiges ESD-Harz und drei starre ESD-Harze, die auf die Temperaturanforderungen von Raum-, Back- und Verbindungsprozessen in der Elektronikfertigung zugeschnitten sind – alle mit einer nano-uniformen ESD-Leistung, die in der Halbleiter-, Verpackungs- und Mikroelektronikindustrie von zunehmender Bedeutung sind.

3DN: Können Sie erklären, wie die ESD-Materialien von Mechnano funktionieren und welche Vorteile sie für die additive Fertigung bieten?

Lassen Sie mich zunächst eine kurze Einführung in die elektrostatische Entladung (ESD) geben. ESD ist der plötzliche Stromfluss, der auftritt, wenn zwei Objekte mit entgegengesetzten elektrischen Ladungen in Kontakt kommen. Er kann von einem leichten Schock bis hin zu einem potenziell tödlichen Störlichtbogen reichen. Selbst eine niedrige ESD-Spannung von 20 Volt kann mikroelektronische Teile beschädigen, was oft durch Personal bei der Herstellung und Montage verursacht wird. Dies kann zu Leistungseinbußen, dauerhaften Schäden, Ausfallzeiten und teuren Reparaturen oder Ersatz von Teilen führen. Außerdem ist ESD in Umgebungen mit entflammbaren Substanzen besonders gefährlich.

Es gibt drei Kategorien von Materialien, die zur Verhinderung und Bewältigung elektrostatischer Entladungen eingesetzt werden. Leitende Materialien haben einen geringen Widerstand und lassen Elektronen leicht wandern, sodass Elektrizität auf den Boden oder andere leitende Objekte übertragen wird. Dissipative Materialien haben einen langsameren und kontrollierteren Fluss von Ladungen in Richtung Erde. Antistatische Materialien schließlich verhindern den Aufbau statischer Elektrizität und reduzieren statische Aufladungen.

Es gibt eine Reihe von Anwendungen für die Harze von Mechnano

Mechnano nutzt die firmeneigene Technologie D’Func (diskrete, dispergierte und funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhren), um AM-Teilen statisch ableitende Eigenschaften zu verleihen, ohne die mechanische Leistung des Grundmaterials zu beeinträchtigen. Das Hauptziel besteht darin, die natürliche Tendenz von CNTs, sich zu großen Bündeln zusammenzuballen, zu überwinden, indem ein diskreter Zustand erreicht wird und anschließend die Seitenwände funktionalisiert werden, um eine erneute Agglomeration zu verhindern. Wir steuern die CNT-Beladung genau, um den gewünschten Oberflächenwiderstand zu erreichen. Wenn D’Func in die hergestellten Komponenten integriert wird, garantiert es eine nano-uniforme ESD, die eine sichere und allmähliche Ableitung elektrischer Ladungen zur Erde ermöglicht, was für den Schutz empfindlicher Elektronik, insbesondere von Systemen mit hohem Geldwert, von entscheidender Bedeutung ist.

3DN: Könnten Sie uns ein konkretes Anwendungsbeispiel für Ihre ESD-Materialien nennen?

Es gibt eine Vielzahl von Bauteilen, die eine statische Ableitfähigkeit erfordern. Bis vor kurzem war die Herstellung von ESD-sicheren Komponenten mit AM-Techniken auf große Geometrien ohne feine Merkmale beschränkt. Zerspanung und Werkzeugbau waren die einzigen Möglichkeiten, um Teile herzustellen, die eine glatte Oberfläche oder komplizierte Merkmale erfordern. Mechnano hat diese Situation mit der Fähigkeit, stabile ESD-sichere Photopolymerisationsharze im Bottich herzustellen, geändert. Diese Harze ermöglichen die Substitution von maschinell bearbeiteten oder geformten Teilen durch AM. Dies erleichtert nicht nur den VAT-3D-Druck für neue Produktentwicklungen (NPD) oder Kleinserien von SMT-Düsen, JEDEC-Tabletts, Greifern, Rundsteckern, Dosierspitzen und verschiedenen anderen Komponenten, sondern ebnet auch den Weg für die Handhabung von Hochtemperaturprozessen, was die Sache noch spannender macht.

Ein konkretes Beispiel für eine Hochtemperaturanwendung ist die schnelle Herstellung eines Trägers, der eine Leiterplatte durch einen Reflow-Prozess bei einer Temperatur von 245 °C führt. Um diese Aufgabe zu erfüllen, entwarf unser Kunde den Träger mit Hilfe von CAD und schickte ihn dann an eine Maschinenwerkstatt, wo ein Aluminiumträger bearbeitet und innerhalb von zwei Wochen zurückgeliefert wurde. Anschließend wurde ein Verifizierungsprozess durchgeführt, um die Passform des Trägers auf der Leiterplatte zu bewerten. Im Falle einer Nichtübereinstimmung würde die Beschaffung eines Ersatzteils weitere zwei Wochen in Anspruch nehmen. Bedauerlicherweise führte eine solche Verzögerung häufig zum Verlust des Projekts. Um dieses Risiko zu mindern, wurde in der Entwurfsphase des Trägers absichtlich ein „Fudge-Faktor“ eingeführt, der die Größe der Tasche leicht vergrößerte, um eine erfolgreiche Funktion beim ersten Versuch zu gewährleisten. Dieser Ansatz führte jedoch auch zu einer schlechten Leistung aufgrund einer suboptimalen Passform.

Vor kurzem hat Mechnano ein hochtemperaturbeständiges ESD-Material auf den Markt gebracht

Unter Verwendung unseres Hochtemperatur-ESD-Harzes kann unser Kunde den Träger vor der Lieferung der Leiterplatte in den genauen Abmessungen herstellen und aushärten. Sollte die Leiterplatte nicht passen, können alle notwendigen Designänderungen schnell vorgenommen werden. Die aktualisierte Version kann dann gedruckt werden, sodass in Zukunft sofort ein passgenauer, hitzebeständiger Träger auf dem Boden verwendet werden kann.

3DN: Was sind die zukünftigen Projekte von Mechnano?

Unsere Formulierungspartner haben Interesse an der Funktionalisierung von CNTs geäußert, um Leitfähigkeit, EMI-Abschirmung und Strahlenhärtung in AM-Harze einzubauen. Während diese Entwicklungen zweifellos spannend sind, werden sich die volumenmäßig größten Projekte auf unsere Lasersinter-Pulver und -Pellets konzentrieren. Wir haben Polyketon, Polyamid und PEEK erfolgreich mit D’Func beschichtet und damit diese ursprünglich isolierenden Pulver in statisch ableitfähige Pulver mit minimalen Auswirkungen auf ihre mechanischen Eigenschaften verwandelt. Darüber hinaus hat Mechnano D’Func erfolgreich in Polycarbonat-Pellets integriert, um elektrostatische Ableitfähigkeit zu erreichen. Unser Team arbeitet aktiv an der Entwicklung von zwei weiteren Produkten und wir freuen uns darauf, diese spannenden Innovationen mit Ihnen zu teilen. Bleiben Sie dran für weitere Updates.

3DN: Haben Sie noch ein paar letzte Worte für unsere Leser?

Wenn Sie sich derzeit auf maschinell bearbeitete Aluminium- oder Verbundwerkstoffteile verlassen oder Spritzguss verwenden, um Ihre ESD-Anforderungen zu erfüllen, ist es sehr empfehlenswert, AM für Anwendungen in Betracht zu ziehen, die eine schnelle Durchlaufzeit erfordern, außergewöhnlich präzise ESD-Bereiche benötigen oder extrem hohen Temperaturen standhalten müssen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass Sie durch AM nanogleichförmige ESD-Komponenten herstellen können, die Ihre Leistungserwartungen nicht nur erfüllen, sondern übertreffen. Weitere Informationen über Mechnano finden Sie auf unserer Website HIER.

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*Bildnachweise: Mechnano