Keine Form, keine Wartezeit: Soft-Tooling im Mikrobereich neu gedacht

Weichwerkzeuge sind seit langem die erste Wahl als Brücke zwischen Prototyp und Serienfertigung. Sie sind schneller und kostengünstiger als Hartwerkzeuge, und für die meisten Teile reicht das aus. Doch sobald man im Mikrometerbereich arbeitet, verlieren die Begriffe „schneller“ und „kostengünstiger“ ihre Bedeutung. Eine Form, deren Fertigung einige Wochen dauert, bedeutet immer noch einige Wochen, die Ihnen fehlen – und ein Teil, das Sie noch nicht validieren können.

Genau diese Lücke schließt der mikropräzise 3D-Druck. Dank der Projektions-Mikrostereolithografie (PµSL) können Ingenieure aus den Bereichen Mikrofluidik, Medizintechnik, Elektronik und Steckverbinder den Formschritt komplett überspringen – und genau das tun sie auch zunehmend.

Weichwerkzeuge – in der Regel Aluminiumformen – waren nie für die Fertigung von Bauteilen im Mikromaßstab gedacht. Sie wurden entwickelt, um den Weg vom Entwurf bis zu einigen hundert Spritzgussteilen zu ermöglichen, ohne dass man für Werkzeuge aus gehärtetem Stahl aufkommen muss. Für diese Aufgabe sind sie wirklich gut geeignet. Probleme treten erst dann auf, wenn die Toleranzen enger werden und die Bauteile so klein werden, dass die Form selbst zum Engpass wird.

Es gibt ein paar Dinge, die oft schiefgehen:

• Die Vorlaufzeiten verlängern sich. Selbst bei „Fast-Turn“-Aluminiumformen dauert es in der Regel vier bis acht Wochen – und das noch bevor überhaupt bestätigt ist, dass das Design tatsächlich funktioniert. Sie investieren also Zeit in ein Bauteil, das Sie noch nicht validiert haben.
• Die Kosten summieren sich, noch bevor man weiß, ob es sich lohnt. Die Kosten für die Werkzeuge können zwischen einigen Tausend und mehreren Zehntausend Dollar liegen, und dieses Geld muss im Voraus aufgewendet werden – egal, ob das Projekt erfolgreich ist oder nicht.
• Jede Überarbeitung erfordert neue Werkzeuge oder zumindest überarbeitete Werkzeuge. Ein Merkmal verschieben, eine Wand dünner machen, eine Toleranz verschärfen – all das kann bedeuten, dass eine neue Form gefertigt werden muss. Multipliziert man das mit der Anzahl der Iterationen, die ein mikrofluidisches oder medizinisches Gerät in der Regel durchläuft, summieren sich die Wochen schnell.
• Im Kleinstmaßstab ist die Weichformtechnik einfach nicht präzise genug. Feine Kanäle, dünne Wände, Elemente mit engen Toleranzen – all das lässt sich mit weichem Aluminium nur schwer zuverlässig formen, was zu Fehlern, schwankender Ausbeute und Nacharbeiten führt, die Sie nicht eingeplant hatten.
• Die meisten mikrofluidischen, medizinischen und elektronischen Bauteile befinden sich zu diesem Zeitpunkt noch in der Validierungsphase. Das bedeutet erhebliche Kosten und Verzögerungen, die man in Kauf nehmen muss, noch bevor man überhaupt weiß, ob das Design stimmt.

Der PµSL-basierte Mikro-3D-Druck – beispielsweise die „microArch“-Plattform von BMF – macht den Werkzeugbau komplett überflüssig. Die Teile entstehen direkt aus der CAD-Datei und werden Schicht für Schicht mit einer Auflösung von bis zu 2 Mikrometern und Toleranzen von nur ±10 Mikrometern gefertigt. Ganz ohne Form.

Der offensichtlichste Unterschied ist die Geschwindigkeit. Die Datei ändern, auf „Drucken“ klicken – es muss keine Form gefertigt werden, es muss nicht auf einen Lieferanten gewartet werden, und kein Aluminiumeinsatz steht irgendwo in einer Warteschlange. Teams können mehrere Designiterationen in etwa der Zeit durchlaufen, die früher benötigt wurde, um ein einziges Muster aus einer Weichform zurückzubekommen.

Außerdem verändert sich dadurch die Art und Weise, wie Entwicklungsbudgets eingesetzt werden. Ohne eine Form muss man keine Verpflichtungen eingehen, bevor man weiß, ob das Design die nächste Testrunde übersteht. Das Geld, das sonst für den Werkzeugbau aufgewendet worden wäre – für Werkzeuge, die möglicherweise ohnehin verschrottet und neu gefertigt werden müssten –, fließt stattdessen in die tatsächliche Weiterentwicklung des Bauteils.

Dann ist da noch die Auflösung. Mit PµSL lassen sich feine Details, dünne Wände und komplexe Mikrogeometrien direkt herstellen, ohne dass man sich Gedanken über Entformungsschrägen, Trennlinien oder gar darüber machen muss, ob eine Form überhaupt formbar ist. Man entwirft nach der Funktion und nicht danach, was eine Form auseinanderziehen kann.

Und bei kleinen bis mittleren Stückzahlen – also bei Zehn bis Tausenden von Teilen statt bei Hunderttausenden – benötigt man oft gar kein Serienwerkzeug. Das ist besonders wichtig für Medizinprodukte und -instrumente, die sich noch im behördlichen oder klinischen Prüfverfahren befinden und bei denen die endgültige Freigabe des Designs möglicherweise erst in einigen Monaten erfolgt.

Das ist nicht nur ein theoretischer Vorteil. Forscher der Universität Groningen nutzten den microArch S240 von BMF, um MEMS-Durchflusssensoren zu entwickeln, deren Struktur an die Barthaare von Robben angelehnt ist. Diese Strukturen sind so fein, dass eine Iteration mithilfe von Weichwerkzeugen äußerst langwierig gewesen wäre – sofern dies überhaupt möglich gewesen wäre. Sie gelangten vom Entwurf zum funktionsfähigen Bauteil, ohne dass eine Form im Prozess erforderlich war.

Dieser Kompromiss spielt vor allem dann eine Rolle, wenn die Bauteile klein sind, die Toleranzen eng sind und sich die Konstruktion noch in der Entwicklung befindet. Die Mikrofluidik ist ein naheliegendes Anwendungsgebiet – Kanalgeometrien und Strukturgrößen, die sich mit Soft-Tooling nur schwer konsistent formen lassen, sodass oft Dutzende von Konstruktionsüberarbeitungen erforderlich sind, bevor etwas endgültig festgelegt wird. Medizinprodukte sind ein weiteres Beispiel, da sie in der Regel Konstruktionsflexibilität über mehrere Testrunden und behördliche Prüfungen hinweg erfordern, häufig aus biokompatiblen Materialien, die den Werkzeugbau zusätzlich erschweren. Auch in der Elektronik und bei Steckverbindern tritt dieses Problem auf, wo immer Feinraster-Strukturen oder Mikrogehäuse die dimensionalen Grenzen des Soft-Toolings überschreiten. Selbst HF- und Mikrowellenkomponenten profitieren davon, da Präzisionsisolatoren und Strukturteile in diesem Bereich von engen Toleranzen abhängen.

Ist der Mikro-3D-Druck also tatsächlich kostengünstiger als Soft-Tooling? Bei kleinen bis mittleren Stückzahlen im Allgemeinen ja – man spart sich die Formkosten komplett, und diese Einsparung überwiegt in der Regel den höheren Stückpreis, den man beim Drucken im Vergleich zum Spritzguss zahlen würde. Ob er Soft-Tooling in der Produktion – und nicht nur bei der Prototypenerstellung – ersetzen kann, hängt vom Stückzahlvolumen ab: Bei Serien im Bereich von einigen Dutzend bis zu mehreren Tausend ist dies oft der Fall. Geht man darüber hinaus, hat das Formen – ob mit Weichwerkzeugen oder Hartwerkzeugen – in der Regel auf Stückbasis die Nase vorn, sodass die richtige Entscheidung letztlich von Ihrem spezifischen Stückzahlvolumen und der Geometrie abhängt. Was die Auflösung angeht, kann PµSL bis auf 2 Mikrometer mit Toleranzen um ±10 Mikrometer gehen – ein Präzisionsniveau, das das Mikro-Spritzgießen mit Weichwerkzeugen einfach nicht zuverlässig erreicht.

Weichwerkzeuge werden nicht verschwinden – sie sind nach wie vor sinnvoll für Teile, die keine Präzision im Mikrometerbereich erfordern und für die ein echtes Produktionsvolumen angestrebt wird. Doch bei der wachsenden Zahl von Anwendungen, bei denen die Merkmale winzig sind, sich das Design ständig ändert und die Toleranzen keinen Spielraum für Fehler lassen, setzt sich der 3D-Druck zunehmend gegenüber dem Formguss durch.

Es gibt kein Werkzeug zum Schneiden, keinen Lieferanten, auf den man warten muss, nichts, was man entsorgen muss, wenn sich das Design erneut ändert. Nur ein gerader Weg vom CAD zum Bauteil – in genau der Auflösung, die die Anwendung tatsächlich erfordert.

Sind Sie neugierig, was das für Ihren nächsten Konstruktionszyklus bedeuten könnte? Fordern Sie ein kostenloses Musterteil an, um sich selbst von der Auflösung und Toleranz von PµSL zu überzeugen, oder sprechen Sie mit unserem Anwendungsteam über Ihre spezifischen Anforderungen hinsichtlich Geometrie und Stückzahlen.