Ideenfabrik mit bionischem Vorbild

Mikroklemme mit einem Gewicht von nur 0,001 g (Bildquelle: alle Micro Systems)

Was haben eine Ameise und eine Fliege mit Mikrospritzguss gemeinsam? Sie sind – technisch gesehen – Wunder im Kleinstformat. Bei Antriebstechnik, Fühler sowie Energie und Steuerung weisen sie weit kleinere und technisch komplexere Merkmale auf, als wir heute künstlich herstellen können. Micro Systems, Brunn am Gebirge, Österreich, nimmt sich diese technischen Kleinstwunder der Natur zum Vorbild, um die Grenzen des Machbaren im Spritzguss zu verschieben.

Der Standardspritzguss stößt bei Größe und Gewicht der Produkte sowie hinsichtlich konstanter Qualität im Toleranzbereich an Grenzen. Ab einem gewissen Kleinstmaß ist der Mikrospritzguss technisch und wirtschaftlich von Vorteil, denn beim Herstellen von Mikrospritzgussteilen werden die Herausforderungen umso größer, je kleiner das zu produzierende Bauteil ist. Der auf die entsprechenden Werkzeuge spezialisierte Hersteller aus England übernimmt Konstruktionen und Techniken aus der Natur und versucht so, von Bewährtem zu lernen. Das Unternehmen fokussiert ausschließlich auf den Mikrospritzguss. Spezielle Projekte erfordern es dabei zuweilen über die Grenzen des bisher Machbaren hinaus zu gehen und genau dort zeigt die Natur mögliche Lösungswege an.

Wo liegen die aktuellen Grenzen im Mikrospritzguss?

Jeder kleinste Erfolg in Mikrometergröße bedeutet einen großen Schritt für die Mikrotechnik. Kleinste Teile wiegen derzeit unter einem Milligramm. Solche Produkte werden zum Beispiel in Hörgeräten, Insulinpumpen, Herzschrittmachern oder Sensoren verwendet. Ein Beispiel für ein solches Kleinstteil ist die Mikroklemme. Diese wird verwendet, wenn Gefäße bei Operationen abgebunden werden müssen. Diese Klemmen werden im Spritzgießverfahren aus bioresorbierbarem Material gefertigt, das sich mit der Zeit im Körper rückstandsfrei abbaut. Produziert werden die Gefäßklemmen in einer vollautomatischen Fertigungszelle, inklusive Handling, optischer Qualitätssicherung und automatischer Verpackung.

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Operationsmaterial für den Zahnarzt zur Wurzelbehandlung

Mikroteile, bei denen kleinste Details funktionsentscheidend sind – zum Beispiel das Operationsmaterial für den Zahnarzt – gehören heute zum technischen Standard. Für die zahnärztliche Wurzelbehandlung wird das Obturationsmaterial ebenfalls durch Spritzguss hergestellt. Dabei wird ein röntgenopaker Kunststoff verarbeitet. Das Kleinstteil besitzt einem Spitzendurchmesser von lediglich 0,18 mm. Die Produktion medizinischer Mi-krospritzgussteile mit Details unter 100 μm (entspricht 0,1mm) ist durchaus erreichbar.

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Optische Linse mit Vergrößerungsfunktion und einer maximalen Dicke von 100 μm

Ein weiterer großer Markt ist die Mikrooptik. Die winzigen Teile werden hauptsächlich in der Sensorik, den Kamerasystemen oder der Beleuchtungstechnik eingesetzt. Ein Beispiel für ein solches Mikroteil ist eine stressfreie optische Linse mit einer maximalen Dicke von 100 μm und einem Fließlängenverhältnis von 30:1.

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Mihilfe eines Laserstrahls wird das Hologramm sichtbar.

Eine weitere Errungenschaft in der Mikrooptik ist das Spritzen optischer Strukturen (Struktur von Nano4U, Sarnen, Schweiz) mit Details von nur 300 nm. Diese optischen Strukturen sind viel zu klein für das menschliche Auge. Sie können aber mit einem Laserstrahl auf einen Hintergrund projektiert und somit sichtbar gemacht werden. Diese optischen Strukturen können zum Beispiel ein Logo, ein Barcode oder ein Datumsstempel sein. Jedes einzelne Mikroteil kann dann zugeordnet werden – eine hochspezialisierte Technologie, die hilft Fälschungen und Plagiate zu verhindern.

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Ein Ober- und
ein Unterteil werden für den Lab-on-a-Chip in einer Mikro-Spritzgießmaschine hergestellt und
zusammengefügt.

Das Know-how zum Mikrospritzgießen und der Werkzeugtechnik wurde auch bei der Entwicklung des Lab-on-a-Chip eingesetzt. Bei diesem Produkt werden viele Mikrotechnologien zusammen angewendet, wie zum Beispiel das Spritzen mikromechanischer und optischer Strukturen im Zusammenhang mit dem Montagespritzguss. Mit einem Lab-on-a-Chip ist es möglich, aus einer Kleinstmenge Blut, Urin, Speichel, Milch oder Wasser in kurzer Zeit Laborwerte zu erhalten, die dann bei der Diagnose eingesetzt werden können. Für den Lab-on-a-Chip werden dabei Ober- und Unterteil in einer Mikro-Spritzgießmaschine hergestellt und direkt zusammengefügt. In einem zweiten Schritt werden der Griff und eine Dichtung eingespritzt um die sensiblen Strukturen zu schützen. Ein Lab-on-a-Chip ist ein mikrofluidisches Teil, das Mikrokanäle mit einem Durchmesser von 100 µm sowie eine integrierte Optik mit einer Oberflächenqualität von 20 nm Ra aufweist. Als Fälschungsschutz der gespritzten Teile kann ein Logo als Hologramm auf jedes gespritzte Teil platziert werden.

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Mikro-Stecker, deren Löcher maximal 0,126 mm groß sind

Aus der Elektronik stammt das nächste Beispiel: ein Stecker mit je zwei 0,5 mm Stahlachsen, die durch Präzisions-Insert-Technologie in die Spritzform eingelegt werden. Jeder Stecker weist Löcher auf von 0,126 mm Durchmesser auf. Diese Bauteile werden komplett, inklusive des Überspritzens der Stahlachsen von einer Fertigungszelle produziert.

Medizintechnik und Automobilbranche sind Vorreiter

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Im linken Fläschchen befinden sich 7.000 Mikroklemmen
und im rechten 500 Stecker.

Derzeit wird ein Großteil der in Serie gefertigten Mikro-Spritzgussteile für den medizinischen Bereich hergestellt. Aber auch in der Automobilindustrie ist Mikrospritzguss kein Fremdwort mehr. Dem Trend schneller, leichter und effizienter folgend kann auch hier die Ameise wieder als Vorbild dienen: Effizient transportiert sie das Mehrfache ihres Eigengewichtes. Dabei wird deutlich, wie weit entfernt die realisierbaren Technologien noch von den Vorbildern aus der Natur sind.

Mikrospritzguss ist mehr als nur die Größe der Spritzgussform. Für qualitativ hochwertige Teile bedarf es vieler Jahre Erfahrung und Know-how im Umgang mit den großen Aufgaben im Kleinstformat. Die Vision des Werkzeugherstellers ist es, gemeinsam mit den Anwendern eine Ideenfabrik für die Zukunft zu schaffen.

 

 

Über den Autor

Martin Ganz

ist Produktionsleiter bei Micro Systems, Brunn am Gebirge, Österreich

jnicolls@microsystems.uk.com