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Groß denken, klein drucken: Nanofabrica über die Vorteile und Anwendungen des mikroskaligen 3D-Drucks

Auf 10. Februar 2021 von Isabell I. veröffentlicht

Einer der größten Vorteile der additiven Fertigung gegenüber der traditionellen Fertigung ist die Möglichkeit der individuellen Anpassung, egal wie groß oder klein das Teil sein mag. Nie wird dies deutlicher als beim mikroskaligen 3D-Druck. Ein Vorteil des mikroskaligen 3D-Drucks ist, dass er die Herstellung von personalisierten Miniaturstrukturen im Mikrometerbereich und kleiner ermöglicht. Er ist für eine Vielzahl von Produkten nützlich, unter anderem für elektronische und medizinische Geräte und sogar für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt. Das liegt daran, dass Anwender dank des mikroskaligen 3D-Drucks, Teile erstellen können, die auf herkömmliche Weise zu kostspielig oder sogar unmöglich herzustellen wären. Eines der führenden Unternehmen im 3D-Druck auf Mikroebene ist Nanofabrica. Wir haben uns mit Avi Cohen zusammengesetzt, um mit ihm über die Technologie der Mikroauflösung und die Vorteile und Anwendungen des 3D-Drucks im Mikromaßstab in verschiedenen Branchen zu sprechen.

3DN: Könnten Sie sich selbst und Ihre Verbindung zur additiven Fertigung vorstellen?

mikroskaligen 3D-Druck

Avi Cohen mit dem TERA 250 von Nanofabrica (Bildnachweis: Nanofabrica)

Mein Name ist Avi Cohen, und ich habe vor Kurzem begonnen, bei Nanofabrica als EVP Global Sales zu arbeiten. Meine Karriere begann im Vertrieb, Marketing und in hochrangigen Managementpositionen in verschiedenen biomedizinischen Unternehmen. Außerdem habe ich über 20 Jahre Erfahrung im Bereich der additiven Fertigung, beginnend im Jahr 1999, als ich zu Stratasys (ehemals Objet) kam. Da ich an vorderster Front der digitalen Fertigungsrevolution arbeite, kenne ich die internationale 3D-Druck-Community sehr gut und bin mit ihr verbunden.

3DN: Was ist mit Nanofabrica? Wie wurde es gegründet? Was ist ihre Aufgabe?

Nanofabrica wurde 2016 gegründet und hatte von Anfang an die Aufgabe, einen additiven Fertigungsprozess zu entwickeln, der für die Mikrofertigung konzipiert wurde. Um genauer zu sein, für Hersteller, die Mikroteile mit Mikrometer-Merkmalen und Mikrometer-Toleranzen herstellen wollen, oder größere Teilbereiche, die extrem enge Mikrometer-Toleranzen und feine Details erreichen müssen.

Das Unternehmen erkannte zwei Trends, die im Spiel waren. Zum einen war da das große und wachsende Interesse an der Nutzung von additiver Fertigung für Produktionsanwendungen. Dieses Interesse war getrieben von Kosten- und Time-to-Market-Erwägungen; der Möglichkeit, Teile von bisher unmöglicher geometrischer Komplexität zu produzieren; der Fähigkeit, kleinere Serien wirtschaftlich zu produzieren und der Fähigkeit zur Massenanpassung. Zum anderen gab es auch den branchenübergreifenden Drang zur Miniaturisierung von Teilen und Komponenten aus einer Vielzahl von Gründen und nicht zuletzt spielte auch die Herstellung minimal-invasiver medizinischer Geräte, die Gewichtsreduzierung in Branchen wie der Automobil- und Luftfahrtindustrie und die Verkleinerung der Teile zur mikroelektronischen, smarten Anwendung eine Rolle.

3DN: Könnten Sie uns mehr über den Tera 250 sowie über Ihre Technologie zur Auflösung auf Mikroebene erzählen? (Technische Angaben, Druckgeschwindigkeit, Material, Volumen…)

Der Tera 250 basiert auf einem digitalen Lichtprozessor-Motor. Um jedoch wiederholbare Auflösungen im Mikrometerbereich zu erreichen, kombiniert der Tera 250 den innovativen Micro-DLP mit dem Einsatz einer intelligenten adaptiven Optik. Dieses Tool ermöglicht – in Verbindung mit einer Reihe von Sensoren – eine geschlossene Feedback-Schleife. Dies ist das Kernelement, das dem Tera 250 ermöglicht, eine sehr hohe Genauigkeit zu erreichen und dabei als Fertigungslösung kostengünstig zu bleiben. Tatsächlich ist dies das erste Mal, dass eine adaptive intelligente Optik auf eine additive Fertigungstechnologie angewendet wurde.  Die Maschine schafft es, Teile mit einer gewissen Geschwindigkeit und Kosten pro Teil so zu fertigen, dass sie kommerziell rentabel sind. Gleichzeitig ermöglicht Tera 250 dank bahnbrechender Entwicklungen bei Hardware, Software und Materialien die Herstellung von Zehntausenden von Teilen in großem Maßstab.

Der TERA 250 (Bildnachweis: Nanofabrica)

Der einzigartigste Aspekt der Technologie ist jedoch tatsächlich der Grund für ihren Namen. Das additive Fertigungssystem von Nanofabrica hat 250 Tera-Voxel im Bauvolumen des Druckers – daher der Name Tera 250. 250 Tera Voxel bedeutet im Grunde 250 Billionen (250 mal zehn hoch zwölf) Voxel im Baubereich des Druckers. Es gibt keine andere Maschine mit einer solchen Voxel-Kapazität, und deshalb ist der Tera 250 in der Lage, so viele Daten auf ein Teil aufzubringen, was wiederum bedeutet, dass Hochpräzise und Genauigkeit im Mikrometerbereich erreicht werden kann. Zusätzlich bedeutet unsere Voxel-Kapazität, dass wir eine große Anzahl von Endverbrauchsteilen in ein Bauvolumen einpassen können.

3DN: Was sind die Herausforderungen und Vorteile beim Einsatz eines Verfahrens des mikroskaligen 3D-Drucks?

Eine Herausforderung ist, dass die Kunden heutzutage mehr verlangen – und das zu recht. Unternehmen müssen wissen, dass sie von der Umstellung auf additive Fertigung als alternative oder ergänzende Technologie zu konventionellen Fertigungsverfahren profitieren.

Die Vorteile sind zahlreich und von grundlegender Bedeutung für das Streben nach einer innovativen, kostengünstigen und zeitnahen Produktion von Mikroteilen und Komponenten. Von besonderem Interesse ist vielleicht die Tatsache, dass additive Fertigung von der Komplexität der Teile unabhängig ist und es möglich ist, einzigartige Geometrien zu entwerfen und herzustellen. So wird das Tera 250-System zu einer Grundlagentechnologie und einem echten Innovationsstimulator, der die Herstellung von Teilen und Merkmalen ermöglicht, die zuvor unmöglich waren. 

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Nanofabrica ist dank ihrer mikroauflösenden Technologie und ihrem mikroskaligen 3D-Drucks bekannt (Bildnachweis: Nanofabrica)

Additive Fertigung erfordert auch keine Einrichtungskosten. Die für herkömmliche Fertigungsverfahren erforderlichen Werkzeuge wirken sich nicht nur negativ auf die Markteinführungszeit aus, sondern machen solche Verfahren auch unwirtschaftlich für kleine oder mittelgroße Produktionsläufe. Für additive Fertigungstechnologien sind kleine und mittlere Durchläufe kosteneffektiv, vielleicht sogar der Optimalbereich für diese Technologie.

Wenn man dann noch bedenkt, dass additive Fertigung die Möglichkeit der Massenanpassung, der Personalisierung und der Verwendung der gleichen Fertigungsplattform für Prototypen, Kleinserien und Massenproduktion bietet, werden die unzähligen Möglichkeiten deutlich, die sich jetzt für Mikrohersteller ergeben.

3DN: Einer der Vorteile der Mikroauflösungstechnologie ist, dass sie die Herstellung von Teilen ermöglicht, die durch traditionelle Fertigung nicht produziert werden können, insbesondere im medizinischen Bereich. Haben Sie Beispiele für Teile, die wirklich nur mit diesem Verfahren hergestellt werden können? Wie sollten wir über Teile denken, die nur durch additive Fertigung möglich sind?

Wir haben zahllose Beispiele für Produkte, die mit konventionellen Fertigungsverfahren entweder unmöglich oder unwirtschaftlich zu produzieren sind, die wir aber auf der Tera 250 herstellen können. Sehen Sie sich zum Beispiel diesen Steckverbinder in Mikrogröße an. Es handelt sich hierbei um ein anspruchsvolles Bauteil, das in präzisen elektronischen Anwendungen eingesetzt wird und sich durch seine insgesamt extrem geringe Größe, seine komplexe innere Geometrie und seine Merkmale (die mit herkömmlichen Spritzguss-Technologien nur sehr schwer zu erreichen sind) sowie seine anspruchsvollen Formanforderungen auszeichnet. Die hochkomplexen inneren Merkmale des Steckverbinders würden eine extrem teure und zeitaufwändige Stahlwerkzeug-Herstellung erfordern. Da bei der additiven Fertigung keine Werkzeuge erforderlich sind, werden die Teile kostengünstig und zeitnah hergestellt.

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Mit Hilfe des mikroskaligen 3D-Drucks können Teile gedruckt werden, deren Herstellung mit herkömmlichen Verfahren zu kostspielig oder sogar unmöglich wäre (Bildnachweis: Nanofabrica)

3DN: Was sind die wichtigsten Anwendungen für die Verwendung der Mikroauflösungstechnologie? Welche Zukunft sehen Sie in dieser Entwicklung?

Die Möglichkeiten sind wirklich nur durch die Vorstellungskraft begrenzt. Es gibt jedoch einige offensichtliche Bereiche, in denen eine Mikroauflösungstechnologie wie die unsere, offensichtlich enorme Auswirkungen haben und die traditionellen Fertigungsprozesse stören kann. Wir haben eine Reihe von „Killer“-Anwendungen identifiziert, für die es eine wachsende Marktnachfrage gibt und bei denen der einzige Weg zum Markt derzeit über unverhältnismäßig teure oder restriktive traditionelle Fertigungstechnologien führt und bei denen der Einsatz von additiver Fertigung erhebliche Fortschritte in Bezug auf Design und Funktionalität ermöglichen kann. Zum Beispiel im Bereich der medizinischen Geräte, der Halbleiterindustrie (Werkzeuge, Vorrichtungen, Halterungen), der Mikroelektronik, des MEMS, der Mikrofluidik und der Biowissenschaften. Die Mikrofluidik ist ein gutes Beispiel dafür, wie eine echte additive Fertigungs-Mikro-Technologie herkömmliche Fertigungsverfahren übertrumpfen kann. Mikrofluidische Kanäle werden verwendet, um unglaublich kleine Flüssigkeitsmengen zu bewegen, wobei viele von ihnen funktionierende Komponenten wie Filter und Pumpen enthalten. Herkömmliche Mikrofertigungsverfahren wie das Mikrogießen schränken die Designfreiheit für solche mikrofluidischen Kanäle enorm ein, und es ist fast unmöglich, mit solchen Verfahren funktionale Unterstrukturen in ihnen herzustellen.

3DN: Irgendwelche letzten Worte für unsere Leser?

Es sind aufregende Zeiten für die Industrie und aufregende Zeiten für Nanofabrica. Ein Großteil der Industrie analysiert jetzt Möglichkeiten, wie sie die additive Fertigung als Prozess zur Optimierung der Herstellung einbeziehen kann, und viele weitere suchen nach Möglichkeiten, Teile und Komponenten zu miniaturisieren. Nanofabrica existiert am Zusammenfluss dieser Trends und kann so von beiden Erfolgswellen profitieren.

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Nanofabrica kann komplexe Teile drucken, die kleiner als ein Pfennig sind (Bildnachweis: Nanofabrica)

Wie ich bereits sagte, ist die einzige Beschränkung der Möglichkeiten, die es gibt, unsere Vorstellungskraft. In diesem Sinne arbeiten wir pragmatisch mit unseren Kunden zusammen und bewerten gemeinsam mit ihnen, wie der Tera 250 ihre Fertigungsbemühungen unterstützen kann. Wir ermutigen zu einem Gespräch und gemeinsam können wir vielleicht die Herstellung innovativer und profitabler Lösungen in der Industrie anregen. Mehr über Nanofabrica erfahren Sie HIER.

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* Bildnachweis – Cover: Nanofabrica

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