S kombinacijo izjemno natančnega 2PP 3D-tiskanja in zmogljivosti stroja MicroPower, podjetja WITTMANN, je bilo mogoče čas izdelave zelo dragih mikrodelov uspešno skrajšati na dva tedna. Poleg izjemno hitre izdelave prototipov se odpirajo tudi povsem nove konstrukcijske in oblikovalske možnosti.

 

Zelo natančni mikrodelci postajajo vse pomembnejši v različnih sektorjih, vključno z biomedicino, potrošniško elektroniko in številnimi drugimi. Večina aplikacij, ki se razvijajo, zahtevajo zasnove z visoko natančnostjo, hitrimi iteracijami in pogosto izzivajo konvencionalne omejitve pri načrtovanju.

Obstoječe proizvodne metode, kot so CNC-obdelava, EDM, litografija z masko in 3D-tiskanje s tehnologijo SLA, težko hitro ali natančno izdelajo komponente, kot so mikrodifuzorji za akustične aplikacije s 70 µm 3D-detajli (Slika 1), mikroleče s hrapavostjo pod 10 nm, mikroigle s konicami velikosti 5 µm, mikrodize z odprtinami pod 20 µm in mikrofluidni čipi s specializiranimi filtri.

Z združevanjem naprednih postopkov aditivne proizvodnje, kot je 3D-tiskanje z dvofotonsko polimerizacijo – na kratko 2PP 3D-tiskanje – in mikro brizganjem s strojem MicroPower, sta partnerski podjetji NanoVoxel in WITTMANN uspeli premagati tehnološke ovire pri izdelavi kalupov. Obe podjetji imata bogate izkušnje na področju mikrotehnologije.

Podjetje NanoVoxel, ustanovljeno leta 2022 na Dunaju, si je zastavilo cilj revolucionarno spremeniti industrijski standard za mikrokomponente.

Proizvajalec strojev za brizganje BATTENFELD, ki je zdaj del skupine WITTMANN, je bil pred približno dvema desetletjema pionir pri razvoju strojev za mikro brizganje. Današnja celica za brizganje MicroPower, podjetja WITTMANN, z vpenjalno silo 15 ton, je prilagojena za proizvodnjo natančnih delov v mikro območju. Zaradi visoke modularnosti in izjemno varčne zasnove ponuja znatne ekonomske prednosti.

Kljub napredku pri izdelavi orodij je ozko grlo pri proizvodnji mikrodeli še naprej predstavljala izdelava votlin za brizganje, kar je povzročalo dolge dobavne roke – tudi do 20 tednov.
Naročniki sicer nejevoljno sprejemajo večje tolerance (±30 µm), vendar pa je vse večje povpraševanje po krajših dobavnih rokih in manjših detajlih, zlasti pri razvoju prototipov.
Dolgotrajen postopek izdelave natančnih orodij tako še vedno ostaja glavno ozko grlo v procesu.

Preboj natančnosti v kombinaciji z ekonomsko učinkovitostjo je bil v zadnjih letih dosežen z dvofotonskim tiskalnikom podjetja UpNano, ki je partner podjetja NanoVoxel, s sedežem na Dunaju. Ta tiskalnik temelji na načelu nelinearne absorpcije fotonov, ki se imenuje dvofotonska polimerizacija (2PP).

Femtosekundni laser oddaja ozko usmerjen žarek za vzbujanje fotosenzitivne smole. Skenerska enota premika laserski žarek prek Galvanovih zrcal in sistemov leč, da se smola strdi. Podobno kot pri 3D tiskanju SLA/DLP se ob absorpciji svetlobe sproži kemična reakcija v smoli, ki povzroči polimerizacijo in strjevanje v žarišču laserskega žarka. Vendar pa 2PP odstopa od uveljavljenih tehnologij 3D tiskanja, saj omogoča popoln nadzor nad polimerizacijo z-dimenzij, zato so luknje in vdolbine natančne in okrogle. Postopek tiskanja 2PP ponuja neprimerljivo večjo natančnost in ločljivost od večine drugih proizvodnih tehnik, saj omogoča ustvarjanje kompleksnih 3D mikrostruktur s submikronsko natančnostjo, celo do nanometrskega območja. Zato je idealna za aplikacije, ki zahtevajo posebno zapletene podrobnosti z visoko kakovostjo površine. Za tiskanje 2PP so na voljo različne fotoobčutljive smole, vključno s fotopolimeri in hibridnimi materiali. Te materiale je mogoče prilagoditi posebnim aplikacijam, ponujajo pa širok razpon mehanskih, optičnih in kemičnih lastnosti.

 

Od prototipa do množične proizvodnje

S tiskalniki 2PP lahko v nekaj urah iz datoteke 3D-CAD natisnemo mikrodelce z natančnostjo, ki jo običajni izdelovalci orodij ne morejo doseči niti z najnaprednejšimi stroji. Tolerance pod 1 µm, strukture do 200 nm in površinske obdelave s povprečno hrapavostjo površine, boljšo od 10 nm, je mogoče s to napredno dodajalno proizvodnjo izdelati hitro in ekonomično.

Geometrije, ki jih zaradi povratnih kotov (undercuts) ali drugih omejitev ni mogoče izdelati z brizganjem plastike, je mogoče hitro proizvesti s pomočjo 3D-tiskanja.

Slika 2 prikazuje primer prototipov mikroigel, natisnjenih s tehnologijo 2PP, s poudarkom na ostrih robovih in mikrokotličastih strukturah.

Predvidoma je pomanjkljivost te tehnike njena sposobnost za velikoserijsko proizvodnjo, zaradi česar je neekonomična za dele, večje od nekaj mm. Omejitve mikrooblikovanja in mikro 3D- tiskanja postavljajo vprašanje: Katere spremembe lahko pospešijo čas izdelave, ohranijo visoko natančnost in še vedno ohranijo visoko produktivnost?

Da bi odgovorili na to vprašanje, NanoVoxel združuje najboljše iz obeh svetov in uvaja povezavanje tiskanja 2PP z mikro brizganjem. Z uporabo 3D-tiskanja 2PP za hitro izdelavo zelo natančnega orodja za mikrobrizganje. 2LPP pri izdelanih mikrodelcih replicira največjo natančnost, učinkovitost in ločljivost.

 

Slika 3 prikazuje primer mikroreduktorja, oblikovanega iz ene od teh natisnjenih votlin.  V njej je bilo mogoče izdelati 50 delov z natančnostjo ± 5 µm.

Podjetje NanoVoxel želi postati platforma, ki ponuja prilagodljive in raznolike proizvodne rešitve, ter si prizadeva postati eno izmed najbolj inovativnih podjetij v svetu mikro proizvodnje. Multidisciplinarna ekipa strokovnjakov podjetja NanoVoxel združuje različne tehnologije in ponuja rešitve od prototipov do serijske proizvodnje.

Ta izjemen dosežek skrajša časovni okvir izdelave strukture na neverjetna dva tedna.

 

MicroPower omogoča stabilen proces z najkrajšimi časi cikla

NanoVoxel je dosegel preboj na področju brizganja mikrodelov, kar je bilo prej nemogoče uresničiti. Omogočili so izdelavo majhnih, podrobnih struktur z visoko natančnostjo in ponovljivostjo, znotraj toleranc nekaj mikronov. Poleg tega visokonatančno 2PP 3D-tiskanje za izdelavo votlin v orodju omogoča izdelavo večjih delov z detajli v enomestnih mikronih, kar bi sicer bilo časovno zahtevno, drago ali celo neizvedljivo.

Primer storitve podjetja NanoVoxel je razvoj in izdelava endoskopa za podjetje aiEndoscope (slika 4): posamezni segmenti endoskopa so bili najprej 3D-natisnjeni v več različicah že v fazi prototipa za geometrijsko testiranje in optimizacijo. Po potrditvi končne zasnove s strani naročnika so bili hitro izdelani brizgani deli, ki so omogočili funkcionalna in mehanska testiranja. Celoten proizvodni proces in vse iteracije so bili zaključeni v manj kot petih tednih.

Zmožnost kombiniranja različnih postopkov, kot so izdelava osnovnih modelov, vlivanje in sintranje, podjetju NanoVoxel omogoča izdelavo orodij z najvišjo natančnostjo — ne le iz materialov za 3D-tiskanje, temveč tudi iz trpežnejših materialov, kot so steklo, keramika in kovine.

 

Za doseganje najvišje natančnosti izdelanih orodij NanoVoxel uporablja stroj MicroPower 15 t (slika 5) podjetja WITTMANN. Z zapiralno silo 15 ton so stroji serije MicroPower zasnovani za ekonomično proizvodnjo izjemno majhnih in mikrodelov z največjo natančnostjo in ponovljivostjo.

Dvostopenjska brizgalna enota z vijačnim batom in prostornino brizga od 1,2 do 6,0 cm³ omogoča brizganje toplotno homogenega materiala. To omogoča izdelavo delov z izjemno natančnostjo, zelo stabilnim procesom in izredno kratkimi cikli.

Že osnovna različica stroja je popolnoma primerna za proizvodnjo v čistih prostorih (cleanroom): zasnovana je s popolnoma zaprto celico. Vsi pogonski moduli, vključno z mehanskimi komponentami, so nameščeni v ohišjih, ki so enostavna za čiščenje.

 

Tiskanje finih struktur na večjih delih

Kombinacija 2PP-tiskanja in mikro brizganja ni omejena zgolj na visokonatančen postopek izdelave hitrih orodij.

NanoVoxel prinaša pomemben preboj v industriji mikroproizvodnje, omogoča tiskanje 2PP neposredno na dele iz različnih materialov, izdelane z drugimi postopki. Ta tisk je mogoče izvesti na številne materiale, vključno s steklom, keramiko, kovinami, plastiko, …

Tako lahko stranke vtisnejo podrobne značilnosti neposredno večje dele, pridobljene z učinkovitejšimi postopki. Prve aplikacije so bile uspešno uporabljene v svetu mikrofluidike, kjer je podjetje NanoVoxel natisnilo nebrizgljive strukture v komercialne čipe, le tam, kjer je bilo potrebno.

Ta inovacija oblikovalcem in inženirjem odpira nove možnosti oblikovanja. Prav tako ponuja ustvarjalen, učinkovit in hkrati preprost pristop k proizvodnji nekonvencionalnih geometrij sestavnih delov.

 

Članek je povzet iz revije Innovations (Volume 19 - 1/2025, povezava).