Wie hochpräzise additive Fertigung gelingt

Die Schraube, als lösbares mechanisches Verbindungselement, ist heutzutage in der Fügetechnik weitverbreitet. Historische Aufzeichnungen zeigen, dass bereits vor mehreren Tausend Jahren das Prinzip der Schraube entdeckt und angewandt wurde. Viele Schrauben wurden aus Holz hergestellt und bei landwirtschaftlichen Anwendungen, beispielsweise als Presse für Früchte oder zur Förderung von Wasser, eingesetzt. Über die Jahrhunderte hinweg wurde die Schraube immer wieder weiterentwickelt und viele neue Anwendungsgebiete sind hinzugekommen. Um den Anforderungen weiterer Anwendungsgebiete zu entsprechen, wurden immer wieder neue Werkstoffe und unterschiedliche Herstellungstechnologien für Schrauben eingesetzt. Der bis heute am meisten verwendete Werkstoff für Schrauben ist jedoch nach wie vor Stahl.

In den letzten Jahrzehnten wurde auch Kunststoff aufgrund von Vorteilen bei der Herstellung oder den spezifischen Eigenschaften für die Schraube entdeckt. Im Vergleich zum Metall gibt es bei Kunststoff keine Korrosion, gute Isoliereigenschaften für Strom und Wärme sind vorhanden und das Eigengewicht der Schraube ist gering. Es gibt jedoch auch werkstoffspezifische Nachteile, unter anderem sind Kunststoffschrauben anfälliger für hohe Temperaturen und weniger stark belastbar als Metallschrauben. Je nach Anwendungsgebiet bieten die Kunststoffschrauben infolge der Werkstoffeigenschaften Vorteile gegenüber den Metallschrauben und sind einsetzbar, wenn die Metallschrauben an ihre Grenzen kommen. Neben dem Werkstoff hat sich über die Zeit auch die Größe der Schrauben stark verändert. Während es anfangs eher große, unpräzise Schrauben waren, gibt es heutzutage bereits hochpräzise Schrauben in Mikrodimensionen, die beispielsweise in der Medizintechnik oder in elektronischen Komponenten Anwendung finden. Diese sind in der Regel aus Edelstahl oder anderen metallischen Werkstoffen gefertigt.

Aufgrund moderner Fertigungsverfahren im Bereich Additive Fertigung kann mittlerweile auch Kunststoff in Mikrodimensionen hochpräzise gefertigt werden. Über die Jahre hinweg wurde ähnlich der Stereolithografie (SLA), einem 3D-Druckverfahren für Harze aus Kunststoff, das Digital Light Processing (DLP)-Verfahren entwickelt. Während bei der Stereolithografie ein Laser eingesetzt wird, der das Harz punktuell erhärtet, wird bei dem Digital Light Processing das Harz durch einen Projektor, welcher mehrere Pixel gleichzeitig beleuchtet, gehärtet. Wie in der schematischen Darstellung in Bild 3 zu erkennen ist, befindet sich der Projektor unterhalb des Beckens mit dem flüssigen Harz und projiziert nach oben. Die Grundplatte, auf der das Bauteil hergestellt wird, bewegt sich Schritt für Schritt nach oben, sodass das Material, welches durch den Projektor ausgehärtet wird, eine Schicht nach der anderen auf dieser aufbaut. Mithilfe dieses Verfahrens können kleinste Kunststoffbauteile mit einer Präzision von wenigen Mikrometern Schicht für Schicht hergestellt werden.

Einer der großen Vorteile dieses Verfahrens ist der kurze Weg von der Konstruktion des Bauteils hin zu einem fertigen Prototyp. Während bei herkömmlichen Fertigungsverfahren im Mikrobereich erst aufwendig Werkzeuge für die Fertigung hergestellt werden müssen, ist dies beim Mikro-3D-Druck nicht der Fall. Es wird nur eine CAD-Datei des gewünschten Bauteils benötigt. Diese wird mit einer speziellen Software für den Mikro-3D-Druck vorbereitet und der Druck kann gestartet werden. Wichtig hierbei sind fundierte Grundkenntnisse bei der Gestaltung sowohl der möglichen Bauteilgeometrien als auch der dazu passenden Stützstrukturen im Bereich der additiven Fertigung mit flüssigem Harz. Innerhalb von wenigen Stunden bis zu ein paar Tagen, abhängig von der Größe des Bauteils, wird mit dem Druck ein funktionstüchtiger Prototyp erhalten.

An der Hochschule Ansbach wird das Mikro-3D-Druck-Verfahren ausgiebig auf seine Möglichkeiten getestet und auf verschiedene Einsatzgebiete hin geprüft. Hierfür steht ein Mikro-3D-Drucker, das Modell Giga 25vx der Firma Nano Dimension, zur Verfügung. Mittels dieses Druckers kann eine optische Auflösung von 8 µm, welche der Pixellänge und Breite entspricht, sowie geometrieabhängig eine Toleranzgenauigkeit von 5 µm erzielt werden. Die Schichthöhe kann zwischen 1 und 10 µm variiert werden und ermöglicht somit ein hochpräzises Fertigen von mikrodimensionierten Bauteilen. Zurzeit werden zwei verschiedene Materialien an der Hochschule Ansbach eingesetzt: ein Harz, das nach der Aushärtung ABS-ähnliche Eigenschaften aufweist, sowie ein keramisch gefülltes Epoxidharz. Laut Hersteller Nano Dimension befinden sich weitere Materialien in der Entwicklung, die interessante Eigenschaften wie Biokompatibilität oder Transparenz aufweisen. Es besteht allerdings auch keine Einschränkung hinsichtlich des Einsatzes anderer Harze, solange diese durch die Photopolymerisation in einer bestimmten Wellenlänge ausgehärtet werden können.

Um eine Darstellung der Präzision und Funktionalität von Bauteilen, die mittels dieses Verfahrens hergestellt werden können, zu demonstrieren, wurden an der Hochschule Ansbach Schrauben in verschiedenen Größen gedruckt. Wie in Bild 1 zu sehen ist, wurden dabei auch verschiedene Ausrichtungen der Schrauben getestet und bei komplexen Überhängen eine Stützstruktur gestaltet, um den Druck dieser Geometrien mittels dieses Verfahrens zu ermöglichen. Für ein einfacheres Verständnis der Größen der verschiedenen Schrauben wurde zum Vergleich in den Hintergrund ein Kopf eines handelsüblichen Streichholzes gelegt. Bei Betrachtung des Schriftzugs „Hochschule“ ist auch zu erkennen, dass bei geringen Überhängen wie beispielsweise in den Buchstaben „H“ und „c“ keine Stützstrukturen notwendig sind, da diese durch den schichtweisen Aufbau gedruckt werden können. Bei Betrachtung unter einer höheren Auflösung (siehe Bild 4) ist klar zu erkennen, dass die gewünschte Schraubengeometrie selbst in einem Bereich von wenigen 100 µm sauber gedruckt wird. Eine Vermessung unter dem Mikroskop ergab hierbei die Dimensionen von 8 x 8 µm eines Pixels, also dem kleinsten Element in dem Raster, aus dem sich die Bauteile aufbauen, was sich mit den Angaben der optischen Präzision der Maschine deckt.

Das Anwendungsbeispiel einer simplen mechanischen Verbindungstechnik stellt hierbei nur einen von vielen Anwendungsbereichen des Mikro-3D-Drucks dar. Die wenigen Einschränkungen, die in der Gestaltung von Bauteilen in diesem Verfahren vorhanden sind, können durch weitere Fügetechniken oder Designoptimierungen umgangen werden und somit eine fast grenzenlose Gestaltungsfreiheit für Mikrobauteile ermöglichen. Viele Bauteile, die bisher ausschließlich in Makrodimensionen zum Einsatz kommen, können mit dieser Technologie im Mikrobereich gefertigt werden und dessen Vorteile ausnutzen. Der Trend, alles immer kleiner zu dimensionieren und hierbei eine bestimmte Funktionalität beizubehalten, wird durch dieses Verfahren weiter gefördert und bietet gerade in Hinblick auf die Zukunft viele verschiedene Anwendungsmöglichkeiten, nicht nur im Bereich des Rapid Prototyping, sondern auch bis hin zur Serienfertigung mittels dieses Verfahrens.

Quelle: Hochschule Ansbach