Hochviskose Harze: Heißer Kandidat für den 3D-Druck von Elektronik

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Hot Lithography: Additive Serienproduktion von technischen Kunststoffbauteilen mit hoher Fertigungsgenauigkeit und guten mechanischen sowie thermischen Eigenschaften.
Hot Lithography: Additive Serienproduktion von technischen Kunststoffbauteilen mit hoher Fertigungsgenauigkeit und guten mechanischen sowie thermischen Eigenschaften. (Bild: Cubicure)

Die Kombination von Stereolithography mit hohen Temperaturen und Spezialharzen soll neue Anwendungs­gebiete erschließen – auch in der Elektronikbranche. Ein Interview.

Das Start-up-Unternehmen Cubicure, ein Spin-off der TU Wien, entwickelt Hochleistungs­photopolymere und Spezialharze für die Stereo­lithografie. Zusammen mit dem Verfahren Hot Lithography lassen sich Bauteile mit hoher Qualität drucken.

Markus Pfaffinger, Busines Development, und Robert Gmeiner, CEO, erklären, wie Hot Lithography funktioniert und warum das Verfahren gerade für die Elektronikbranche interessant ist.

Wie kam es zu der Idee, hochviskose Harze für den 3D-Druck zu verwenden?

M. Pfaffinger: Im Bereich der additiven Fertigung von Kunststoffbauteilen steht der Kunde oft vor der Entscheidung zwischen Bauteilen gefertigt aus leistungsfähigen Kunststoffen, welche vergleichsweise ungenau strukturiert werden können (z.B. SLS oder FDM-Technologie) und Bauteilen gefertigt mit hoher Genauigkeit und Oberflächengüte, allerdings mit teils stark eingeschränkten Werktstoffeigenschaften (z.B. SLA oder Polyjet-Verfahren). Cubicure hat es sich zur Aufgabe gemacht dieses Dilemma im Kunststoff-3D-Druck zu lösen und eine Technologie anzubieten, welche hohe Fertigungsgenauigkeit und gute mechanische sowie thermische Eigenschaften des finalen Bauteils vereint. Basierend auf der Hot Lithography-Technologie bietet Cubicure mit der Caligma 200 ein präzises Fertigungssystem an, welches höchste Genauigkeit und Oberflächenqualität erlaubt. Um im finalen Bauteil gute Werkstoffeigenschaften, wie hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher Bruchzähigkeit aber auch eine hohe Wärmeformbeständigkeit zu erreichen, werden hochviskose Harze als Ausgangsmaterial eingesetzt.

Bitte beschreiben Sie kurz die Funktionsweise des Hot Lithography-Verfahrens.

M. Pfaffinger: Die Hot Lithography ist ein von Cubicure erfundenes und patentiertes stereolithographisches 3D-Druckverfahren. Es werden damit hochviskose Harze bei stark erhöhter Temperatur, bis zu 120°C, verarbeitet. Die hohe Drucktemperatur kann das Viskositätsproblem lösen, wodurch teils völlig neue, bisher nicht stereolithographisch verarbeitbare chemische Bausteine zum Einsatz kommen können.

R. Gmeiner: Mit der uns bereits heute zur Verfügung stehenden hochmolekularen Chemie konnte Cubicure bereits deutliche Verbesserungen bei Zähigkeit und Temperaturbeständigkeit der gedruckten Kunststoffbauteile nachweisen. Für unsere Pilot­kunden ergeben sich daher gänzlich neue Möglichkeiten beim Einsatz additiver Verfahren im Bereich der Produktion funktionaler Prototypen. Sowohl im R&D Bereich, als auch bei Vorserien ist dadurch eine enorme Reduktion von Entwicklungszeiten möglich.

M. Pfaffinger: Ein weiterer wesentlicher Unterschied zu bisherigen SLA-basierten Systemen ist die Verwendung eines Beschichtungsmechanismus anstatt eines Harztauchbads. Dadurch kann der Prozess bereits ab einer Menge von 100 ml Material betrieben werden. Dieses Verfahren ist somit sehr materialsparend, weil nur das für das aktuelle Bauteil notwendige Material in der Maschine eingesetzt wird. Außerdem können Materialwechsel entsprechend schnell durchgeführt werden.

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Wo liegen die Grenzen des Verfahrens?

M. Pfaffinger: Zur Aushärtung des Harzes wird ein hochpräzises Laser-Scanner-System eingesetzt. Eine Laserspotgröße von typischerweise 25 µm erlaubt höchste Präzision und Oberflächenqualität der strukturierten Bauteile. Abhängig vom eingesetzten Material sind somit minimale Wandstärken von 80 µm oder Bohrungen mit 120 µm Durchmesser realisierbar. Die Schichtstärken sind zwischen 10 und 100 µm einstellbar.

In welchen Bereichen wird die Caligma 200 bereits eingesetzt?

M. Pfaffinger: Die Caligma 200 wurde erstmals im Juni 2017 vorgestellt und ist seitdem bei Cubicure zu kaufen. Die bisherigen Kunden kommen sowohl aus dem universitären Forschungsumfeld, aus F&E Abteilungen internationaler Konzerne als auch aus dem Dienstleistungssektor.

Konkrete Anwendungsfelder sind im Bereich Herstellung funktionaler Testmuster und der Vorserienproduktion zu sehen. Hier sind erhebliche Zeiteinsparungen möglich. Aus Cubicure Materialien gedruckte Bauteile können direkt ihrer Funktion entsprechend im Prototypenbereich eingesetzt werden und daher eine stark beschleunigte Entwicklungsarbeit hin zur Serienproduktion unterstützen – auch wenn das Serienbauteil beispielsweise spritzgegossen wird.

Da die Präzision der eingesetzten Drucksysteme sehr hoch ist (Auflösungen bis 10 µm in alle drei Raumrichtungen), ist auch bereits eine wirtschaftliche Teileproduktion im Bereich der Mini- und Mikrobauteile möglich. Kleinste Kunststoffbauteile lassen sich so komplett in Serie bis zu mehreren hunderttausend Stück pro Jahr direkt und voll digital herstellen. Als Bonus gibt es dabei volle Produktionsflexibilität und die einzigartigen Fertigungsmöglichkeiten additiver Systeme (Freiheit bei Bauteilgeometrie) dazu. Produktionsbegleitende Bauteil(weiter)entwicklung sowie Ersatzteilmanagement sind weitere vielversprechende Einsatzbereiche.

Welche Materialien können verarbeitet werden? Sind Materialkombinationen möglich?

M. Pfaffinger: Die Caligma 200 Maschine kann Photopolymere bis zu einer Viskosität von 20 Pa*s (bei Arbeitstemperatur) und damit nahezu viskositätsunabhängig Flüssigkeiten und Pasten verarbeiten. Prinzipiell können somit alle Photopolymere, welche bei Wellenlängen von 375 bzw. 405 nm reaktiv sind dreidimensional strukturiert werden. Allerdings ist für ein positives Druckergebnis und hochqualitative Bauteile eine exakte Abstimmung der Maschinen- und Laserparameter auf das jeweilige Material notwendig. Aus diesem Grund führen wir die Prozessabstimmungen für unsere Materialien bei Cubiucre durch und stellen unseren Kunden exakt abgestimmte materialspezifische Parametersätze zur Verfügung. Somit ist sichergestellt, dass der Kunde ohne eigener aufwändiger Entwicklungsarbeit schnell und zuverlässig zu einer hohen reproduzierbaren Bauteilqualität kommt.

Die Kombination mehrerer Photopolymere in einem Druckprozess ist nicht möglich. Allerdings ist mit der Hot Lithography eine hochfeste Direktbedruckung von Metall­oberflächen möglich.

Welche Anwendungsfelder sehen Sie in der Elektronikbranche?

M. Pfaffinger: Wie in anderen Industrien, kann die Hot Lithography auch in der Elektronikbranche für die Herstellung von funktionalen Mustern und Prototypen verwendet werden. Die Cubicure Photopolymere haben ein ähnliches Werkstoffprofil wie technische Thermoplaste, z.B. ABS. Die additive Fertigung kann somit auch die Produktentwicklung von Spritzgussteilen durch die Übertragbarkeit der additiv gefertigten Bauteile auf Spritzgussserienteile maßgeblich beschleunigen.

Weiters ermöglicht die hohe Druckauflösung auch die Direktfertigung von Klein- und Kleinstteilen. Die rein digitale Fertigung ohne Werkzeugkosten macht eine wirtschaftliche Produktion von kleinen Lotgrößen möglich, sodass neue Produkte und Services entstehen können.

Die Hot Lithography-Technologie erlaubt darüber hinaus auch gefüllte Photopolymere zu verarbeiten, sprich funktionalisierte Kunststoffbauteile zu fertigen. Hier sind optimierte thermische und elektrische Werkstoffeigenschaften oder auch spezielle Brandeigenschaften nur einige mögliche Beispiele für die Zukunft.

Die Materialien sind bis ca. 90°C temperaturstabil. Für Industrieelektronik sind höhere Anforderungen an die Beständigkeit gegeben. Sie wollen Ende des Jahres ein Hochtemperaturharz vorstellen, ist das für diesen Einsatz geeignet?

M. Pfaffinger: Auf der Formnext (13. - 16. November, Frankfurt am Main), wird Cubicure sein drittes Serienmaterial vorstellen. Ja, dieses Hochtemperaturmaterial zeichnet sich durch eine hohe Wärmeformbeständigkeit von >250°C aus. Gleichzeitig kann es aber auch mit hoher Zugfestigkeit, guter Chemikalienbeständigkeit und guten Brandeigenschaften punkten. Gerade letzteres ist für den Einsatz in Elektronik eine Notwendigkeit.

Dieses Eigenschaftsprofil macht es nicht nur für die Elektronikindustrie sehr interessant, sondern auch für die additive Fertigung von Spritzgussformen oder für Anwendungen im Automotive sowie Luft- und Raumfahrt Sektor und der Lebensmittelindustrie.

Welche Entwicklungen streben Sie für die Zukunft an?

R. Gmeiner: Die Hot Lithography bietet uns dringend benötigte Möglichkeiten bei der Entwicklung leistungsstarker Photopolymere. Sie zeigt uns, dass die Materialforschung in diesem Bereich noch lange nicht beendet ist. Im Gegenteil, das Tor zur Entwicklung neuer Harzsysteme wurde gerade erst richtig aufgestoßen.

M. Pfaffinger: Neben Innovationen auf dem Photopolymersektor wird bereits an Maschinenkonzepten für größere Baufelder, höhere Druckgeschwindigkeiten und folglich höheren Durchsatz gearbeitet, um die additive Fertigung als industrielles Produktionswerkzeug zu etablieren.
Prozess- und Materialentwicklung gehen Hand in Hand, was bei Cubicure auch aktiv gelebt wird.

Vielen Dank für das Gespräch.

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