Kaleidoscope® Innovation aus Cincinnati, Ohio, ist ein Unternehmen für Produktdesign und -entwicklung, das international anerkannte Marken und innovative Kunden betreut. Als die Konstruktionsingenieurin Olivia Enneking hochpräzise Prototypen kleiner, präziser medizinischer Teile benötigte, fragte sie einen Kollegen nach Boston Micro Fabrication (BMF), einem Hersteller von Mikropräzisions-3D-Druckern. Ennekings Kollege hatte bereits mit BMF zusammengearbeitet und schätzte, wie die Entwickler der Projektions-Mikro-Stereolithographie (PµSL) in der Lage waren, Mikroteile schnell aus biokompatiblen Materialien herzustellen.
Die von Enneking benötigten Prototypen erforderten keine Biokompatibilität, aber sie wünschte sich schnell gefertigte Mikroteile aus Harzen mit Eigenschaften, die Polyetheretherketon (PEEK), Polycarbonat (PC) und Polypropylen (PP) ähneln. Diese Kunststoffe werden häufig im Spritzgussverfahren verwendet, dem Verfahren, das für die Endteilproduktion eingesetzt wird. Der Mikrospritzguss kann jedoch Werkzeugkosten im sechsstelligen Dollarbereich verursachen, weshalb er keine gute Wahl für Prototypen ist, bei denen Designänderungen zu Ausschusswerkzeugen führen können. Die CNC-Bearbeitung kann ebenfalls Mikroteile herstellen, hat aber, wie der Spritzguss, längere Lieferzeiten als der 3D-Druck.
PµSL 3D-Drucker und BMFs offenes Materialsystem
Wie andere Formen des 3D-Drucks benötigt die PµSL-Technologie von BMF keine Formen oder Werkzeuge. PµSL ist jedoch in der Lage, eine Auflösung von 2µm~10µm und eine Toleranz von +/- 5µm~25µm zu erreichen, und das bei höheren Geschwindigkeiten als andere Mikrofertigungsmethoden. Darüber hinaus verfügt BMF über ein offenes Materialsystem, das es Kunden ermöglicht, entweder die speziell formulierten Polymere von BMF zu wählen oder Harze von anderen Lieferanten zu beziehen. Jason Bassi, BMFs Vertriebsleiter für Nordamerika, wurde Ennekings Ansprechpartner und war, wie der Konstruktionsingenieur erklärt, bei der Auswahl von Maschine und Material „immer bereit zu helfen“. Bassi erklärt: „Die gleichen großen Vorteile des PµSL-3D-Drucks werden im Vergleich zum traditionellen 3D-Druck erkannt, aber wir verschieben oft die Grenzen des Machbaren im Mikromaßstab und arbeiten eng mit unseren Kunden zusammen, um deren Anforderungen zu erfüllen“.
Zur Herstellung der Prototypen von Kaleidoscope International setzte BMF jeden seiner 10µm-Seriendrucker ein: den microArch P140, den microArch S140 und den microArch S240. Da BMF Materialdatenblätter auf seiner Website bereitstellt, konnte Enneking verschiedene Harze bewerten und deren Eigenschaften mit PEEK, PC und PP vergleichen. Olivia schätzte die Materialauswahl und identifizierte drei Harze für Gebrauchstests. HEK-Harz, ein steifes und zähes Material, bietet Festigkeit und Dehnung. HTL-Harz ist ein Hochleistungs-Konstruktionsmaterial, das Hitzebeständigkeit mit hoher Festigkeit und Steifigkeit kombiniert. UTL-Harz bietet hohe Zähigkeit und Dehnung für Anwendungen, die eine hohe Flexibilität erfordern.
Bei der Bestellung von Bauteilen sind drei Aspekte zu berücksichtigen: Qualität, Kosten und Lieferzeit. Andere 3D-Drucker können Kosten und Lieferzeit erfüllen, und Spritzguss kann Qualität und Kosten erfüllen. Mit dem Mikropräzisions-3D-Druck von BMF erhalten wir alle drei.
– Olivia Enneking, Kaleidoscope Innovation
Erstellung von Prototypen für Usability-Tests
BMF druckte dann 3D-Teile aus HEK, HTL und UTL für chirurgische Tests, eine Art von Gebrauchstauglichkeitstests, bei denen Chirurgen frühe Versionen eines Produkts an Kadaver- oder Tiergewebe verwenden. Während dieser Tests können Designer feststellen, dass ein Produkt anders als beabsichtigt verwendet wurde. Chirurgen geben ebenfalls Feedback. Nachfolgende Designs integrieren diese Informationen dann bei der Produktiteration. Bei solchen Projekten ist es wirtschaftlich unrentabel, die für den Mikrospritzguss erforderlichen Werkzeuge zu verschrotten. Der 3D-Druck eliminiert diese Werkzeugkosten, aber Designer müssen die Kosten weiterhin gegen andere Anforderungen abwägen.
Die meisten 3D-Drucker sind nicht in der Lage, mikroskalige Teile mit hoher Präzision, Auflösung und Genauigkeit herzustellen. Mit anderen bestehenden Technologien, wie z. B. dem 2-Photonen-Verfahren, sind solche Teile zwar möglich, aber die Präzision ist höher als erforderlich und die Druckgeschwindigkeit zu langsam. Mit der Technologie von BMF kann Kaleidoscope Innovation jedoch mikroskalige 3D-gedruckte Prototypen erhalten, die in Bezug auf Auflösung, Genauigkeit und Präzision CAD-konform sind. Wichtig ist, dass der Mikroskala-3D-Druck von BMF auch andere Schlüsselvariablen ausgleicht, die Designer bewerten müssen. „Wenn man Teile bestellt, gibt es drei Dinge zu beachten: Qualität, Kosten und Lieferzeit“, erklärt Enneking. „Andere 3D-Drucker können Kosten und Lieferzeit erfüllen, und der Spritzguss kann Qualität und Kosten erfüllen. Mit dem Mikropräzisions-3D-Druck von BMF erhalten wir alle drei.“
