Vom Mikro-Rapid-Prototyping zur flexiblen Mikro-Rapid-Production

Am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) wurde eine Anlage für das Mikro-Rapid-Prototyping entwickelt. Mit dieser Anlage ist es möglich, Schichtdicken von weniger als 15 µm zu erzeugen. Aus der Verbindung einzelner Schichten können komplexe 3D-Bauteile mit einer voreingestellten lateralen Auflösung von 5-30 µm gefertigt werden. Dadurch ist die Produktion von Komponenten im Kubikmillimeterbereich mit flexiblen Strukturauf­lösungen bis in den Bereich weniger Mikrometer möglich.

Bisher reichten für die Mikrosystemtechnik sowohl die Präzision als auch die Material­eigenschaften der kommerziellen Rapid-Prototyping-Produkte nicht aus. Die am LZH entwickelte Systemtechnik schließt diese Lücke und erlaubt die schnelle Funktions­prüfung von einzelnen Komponenten und deren Zusammenspiel im Gesamtsystem. Erhebliche Kostenersparnisse in der weiteren Fertigung sind somit möglich.

Diese Mikro-Rapid-Prototyping-Anlage kann kostengünstige Prototypen oder Kleinserien mittels stereolithografischer Verfahren unmittelbar aus einem 3D-CAD-Modell generieren. Ein CAD-Modell wird in Schichten zerlegt und aus den Schichten werden direkt die Daten zur flexiblen Prozesssteuerung ermittelt. Diese Daten steuern einen Laserstrahl (frequenzverdreifachte Nd:YAG, 355 nm) in Bahnen über die Oberfläche eines flüssigen Polymers. Durch eine lokale Aushärtung können in einer Schicht beliebige Geometrien erzeugt werden, und durch die Vernetzung der einzelnen Schichten entsteht das Bauteil als physische Repräsentation des CAD-Modells.

Nach der erfolgreichen Umsetzung des Mikro-Rapid-Prototyping-Verfahrens für Einzel­komponenten gehen aktuelle Entwicklungen am LZH den Schritt zur Fertigung von Gesamtsystemen mit integrierten optischen und mechanischen Funktionen (Mikro-Rapid-Production). Vorteile einer solchen Produktion werden deutlich, wenn man die Schwierig­keiten der Teilehandhabung von Mikrokomponenten bedenkt.

Eine solche integrierte Fertigung erfordert ein detailliertes Prozessverständnis und eine Rückführung dieses Verständnisses in das Systemdesign. Studien zur Fertigung von Systemen mit beweglichen Komponenten wurden erfolgreich abgeschlossen; die Ergebnisse können in der Fertigung ökonomisch eingesetzt werden. Nach Anpassung des Designs wird das Teilehandling reduziert oder kann vollständig entfallen. Somit werden die Produktionskosten von der Komplexität des Bauteils entkoppelt.

Die Prozessentwicklung zum Mikro-Rapid-Prototyping wurde durch das CRAFT Projekt „MIPRO“ (EU) gefördert. Die Basisuntersuchungen zur integralen Fertigung von Funktionsbauteilen wurden durch die DFG unterstützt.