Eine neue Dimension: Wie ein Startup-Unternehmen die Präzisionsfertigung neu gestaltete

In einer Beziehung mit BMF

Die traditionelle Fertigung steht vor großen Herausforderungen, wenn es darum geht, schnell kleine Komponenten herzustellen, die hochkomplexe, winzige, präzisionsgefertigte Strukturen umfassen – Artikel wie Miniaturverbinder und Mikrolinsen für Endoskope. All diese Teile erfordern eine hochwertige Präzisionsfertigung, um ein exaktes Oberflächenprofil und komplizierte interne Strukturen zu erzeugen, was kostspielig ist. Jetzt überwindet die hochmoderne Nano-/Mikro-3-D-Drucktechnologie diese Hürden, indem sie eine einfachere Anpassung und schnellere Produktion dieser komplizierten Teile ermöglicht und gleichzeitig der wachsenden Nachfrage nach Präzisionsfertigung in anderen Bereichen gerecht wird.



Der Marktforscher Technavio prognostiziert, dass der weltweite Markt für 3D-Druckdienste bis 2021 jährlich um 44 Prozent wachsen wird. Der wachsende Bedarf an Präzisionsfertigung treibt auch das Wachstum von 3D-Präzisionsdruckdiensten voran. Laut Transparency Market Research wird beispielsweise erwartet, dass der globale Brillenmarkt bis 2018 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 3,7 Prozent aufweisen und 130 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

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[Viele] Fertigungsprobleme können jetzt mit dieser neuen schnellen und kostengünstigen Produktionsmöglichkeit gelöst werden, sodass der potenzielle Markt für Nano-/Mikro-Druckteile gerade erst in Sicht kommt, sagt William Plummer, leitender Wissenschaftler und Beiratsmitglied von BMF Material Technology, a In Boston/Shenzhen ansässiges Start-up-Unternehmen, das Nano-/Mikro-3-D-Drucker und -Materialien sowie kundenspezifische Produkte für andere Unternehmen herstellt, die seine Ausrüstung verwenden.

Während bekannte 3-D-Druck-Startups wie Desktop Metal und Carbon bereits viel Aufmerksamkeit auf dem Markt erregt haben, konzentrieren sie sich auf die Fertigung im größeren Maßstab. Mit der Weiterentwicklung der Technologie ist sie in der Lage, detailliertere und kleinere Komponenten zu erstellen.

Der Nano-/Mikro-3-D-Druck ist in der Lage, komplexe, kleinste Bauteile zu erzeugen. Dies ist die präziseste Inkarnation der 3-D-Drucktechnologie und bereit, die Fertigungsindustrie für Präzisionskomponenten zu revolutionieren. Jetzt bringen Unternehmen wie BMF diese Technologie auf ein neues Niveau mit Druckern, die eine Mikrometer-/Nanometerauflösung und die Kapazität zur Durchführung von Massenfertigung haben. Was BMF auszeichnet, sagt Plummer, ist die Strenge der Ausrüstung und die einzigartige Auswahl an Materialien und Prozessen: Mit der Präzisions-3D-Drucktechnologie von BMF können kleine mechanische Teile wie winzige Federn, spezielle elektrische Steckerformen und sogar komplizierte und komplizierte Teile hergestellt werden anspruchsvolle Geräte wie Herzstents.

Wie es funktioniert

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Nur wenige technologische Fortschritte haben die Vorstellungskraft der Öffentlichkeit erregt und die technische und künstlerische Kreativität in gleichem Maße inspiriert wie der 3-D-Druck, insbesondere der Nano-/Mikro-3-D-Druck. Aus einer digitalen Datei ist es möglich, ein physisches dreidimensionales Objekt zu erstellen. Obwohl es sich nicht um eine neue Technologie handelt, haben die jüngsten Fortschritte sie zu einer praktischeren Methode gemacht, um Prototypen, Einzelkomponenten und Artikel zu erstellen, die mit traditionellen Methoden wie Formen und CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) zu teuer oder schwierig herzustellen sind.

BMF verwendet eine Technik namens Pulse (Projection Micro Litho Stereo Exposure), die der Methode ähnelt, die in einem Videoanzeigegerät im Mikromaßstab verwendet wird, wenn eine Reihe von Bildern nacheinander durch eine Reduktionslinse projiziert wird, um lichtempfindliches Photopolymerharz zu härten. Wenn das reduzierte Bildmuster auf das lichtempfindliche Harz fokussiert wird, initiiert das ultraviolette Licht den Härtungs- oder Härtungsprozess – der als Photovernetzung bekannt ist. Nur der vom Licht beleuchtete Bereich härtet aus und härtet in der vorgeschriebenen 3-D-Form aus. Die projizierten Lichtmuster werden durch die 3-D-Bilder definiert, die die Abschnitte eines computererzeugten 3-D-Modells sind. In Kombination mit verschiedenen Nachbearbeitungstechniken kann BMF eine breite Palette von Produkten herstellen, darunter Artikel wie Keramik und optische Linsen.

Der Hauptunterschied zwischen Nano-/Mikro- und herkömmlichem 3-D-Druck ist der Grad an Präzision und Auflösung, der durch den Nano-/Mikro-3-D-Druck ermöglicht wird. Bei der Beschreibung dieser Methode des 3D-Drucks erreicht die Auflösung die Meso-, Mikro- und Nanoebene (d. h. ein Milliardstel Meter). Dieses Kaliber des 3-D-Drucks kann wirklich mikroskopisch kleine Miniaturkomponenten mit einem Detaillierungsgrad und einer Präzision reproduzieren, die mit einem typischen 3-D-Druck nicht zu erreichen sind.

In den letzten Jahren hat der 3D-Druck den Punkt erreicht, an dem Verbraucher einen 3D-Drucker für zwischen 200 und 500 US-Dollar kaufen können. Diese Low-End-Drucker haben jedoch wenig Ähnlichkeit mit den ausgeklügelten Nano-/Mikro-3-D-Druckern, die Unternehmen wie BMF heute bauen und für die Herstellung verschiedener Komponenten verwenden.

Präzisionsfertigung

BMF trat im Mai 2016 in den hochauflösenden Nano-/Mikro-3-D-Druckmarkt ein, als es aus dem Nanophotonics and 3D Nanomanufacturing Laboratory am MIT ausgegliedert wurde. Die Technologie des Unternehmens basiert auf derselben Technologie, die als eine von ihnen benannt wurde MIT Technology Review Die 10 bahnbrechenden Technologien von 2014 und 2015. (Tatsächlich ist Nicholas Fang, Mitbegründer/Chefwissenschaftler bei BMF, Teil eines führenden Teams für Nano-/Mikro-3-D-Drucktechnologie, das von anerkannt wurde MIT Technology Review im Jahr 2015.)

BMF konzentriert sich auf die Herstellung kleinerer Präzisionskomponenten, jedoch in den höheren Stückzahlen, die von Industriesegmenten wie medizinischen Geräten benötigt werden. Das 3D-Drucksystem von BMF kann aufgrund der geringen Größe der von uns hergestellten Komponenten ein hohes Volumen erreichen, sagt Xiaoning He, Mitbegründer/CEO des Unternehmens. Kleine Teilegrößen ermöglichen das gleichzeitige Drucken einer großen Anzahl von Komponenten. Beispielsweise können die 3-D-Drucker von BMF Hunderte von Linsen mit einem Durchmesser von etwa einem Millimeter innerhalb einer Stunde herstellen, was zu einer Produktionskapazität von Hunderttausenden von Stücken pro Jahr führt – was die Volumennachfrage von Endoskopherstellern decken kann. Darüber hinaus kann jedes einzelne Teil in einer Charge von Komponenten kundenspezifisch hergestellt werden, unabhängig von der Anzahl der herzustellenden Komponenten. Diese Fähigkeiten können die Volumenanforderungen von Industriekunden erfüllen, die kleine Präzisionskomponenten benötigen.

Innovative Technologie

Materialien, die Licht reflektieren

Mit seinem innovativen Ansatz hat das BMF-Team die optische Industrie ins Visier genommen. Allein der lukrative Markt für optische Brillen in China macht jährlich 12 Milliarden US-Dollar aus. Die meisten Brillen sind nicht wirklich auf die Bedürfnisse und Spezifikationen einer Person zugeschnitten, sondern basieren auf Standardrezepten. Komplizierte Brillen wie Freiformgläser sind teuer, sagt Yi Zhen, stellvertretender Direktor der Abteilung für medizinischen Technologietransfer am Beijing Institute of Ophthalmology in Peking Tongren-Krankenhaus . Beispielsweise kann der Einzelhandelspreis für ein Paar personalisierter Freiformlinsen [unter Verwendung traditioneller Herstellung] bis zu 1.300 US-Dollar erreichen.

Das menschliche Auge ist ein komplexes Organ und kein perfektes optisches System. Keine zwei Augen sind gleich, sagt Zhen. Herkömmliche Linsen werden jedoch aus halbfertigen Linsenrohlingen hergestellt, die fabrikmäßig in großen Mengen geformt werden. Personalisierte Freiformgläser haben das Potenzial, Brillenträger von den optischen Kompromissen herkömmlicher, massenproduzierter Gläser zu befreien. Herkömmliche personalisierte Freiformlinsen erfordern teure Maschinen … sodass sich die meisten Menschen diese nicht leisten können. Daher können die meisten Patienten keine ideale Sehkorrektur erreichen und ihre Sehkraft verschlechtert sich weiter.

Das Pekinger Tongren-Krankenhaus ist mit etwa einer Million Patientenbesuchen pro Jahr das größte Augenkrankenhaus in China. Ningli Wang, Professor am Beijing Tongren, und sein Team haben sich mit BMF zusammengetan, um kostengünstige personalisierte Freiformlinsen nach den individuellen Sehstärken herzustellen. Das Team hat erfolgreich ein ausgeklügeltes personalisiertes Brillenglas mit den folgenden Designmerkmalen entworfen und hergestellt:

  • Torisches Design, das Astigmatismus korrigiert und Aberrationen reduziert;
  • Asphärisches Design, das Myopie korrigiert und die Linsenranddicke reduziert;
  • Peripheres Defokussierungsdesign, das die Entwicklung von Myopie bei Kindern kontrolliert.

Während ein solches Freiform-Objektiv auf herkömmliche Weise schwierig und teuer herzustellen ist, dauert die Herstellung mit der BMF-Technologie nur etwa vier Stunden, und das Objektiv hat ähnliche Kosten wie ein normales Objektiv. Mit viel niedrigeren Systemkosten und Produktionsgeschwindigkeit werden 3-D-gedruckte Linsen die Lieferung von speziellen Brillengläsern an die Augenheilkunde revolutionieren, sagt Mo Jalie, leitender Wissenschaftler und Beiratsmitglied des BMF.

Die Technologie von BMF kann möglicherweise auch viele andere ophthalmologische Bereiche revolutionieren, einschließlich der Herstellung von maßgefertigten korrigierenden Kontaktlinsen, die Patienten mit komplexen Aberrationen nach Problemen wie einer Hornhauttransplantation, Keratokonus (einer fortschreitenden Augenkrankheit, bei der sich die normalerweise runde Hornhaut zu einem verzerrt kegelförmige Form) und Zustände, die durch äußere Verletzungen verursacht werden. Der 3-D-Druck für die optische Linsenindustrie ist wie der Digitaldruck für die Verlagsbranche, sagt Wang. Diese neue Technologie führt zu einer schnelleren, kostengünstigeren, flexibleren und genaueren Linsenproduktion.

Neue Fertigungsdimensionen

Laut Xiaoning gibt es unzählige andere Präzisionsanwendungsfälle für den Nano-/Mikro-3D-Druck, wie z. B. Herzstents, Endoskoplinsen und spezifische elektrische Steckverbinder. Gegenwärtig ist eine Laserbearbeitung erforderlich, um die komplexe innere Struktur von Herzstents herauszuarbeiten. Der 3D-Druck kann die erforderliche Struktur einfacher erzeugen, anspruchsvollere Designs ermöglichen und die Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsmethoden drastisch senken.

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Auch elektrische Steckverbinder werden immer kleiner und komplexer. Die Nano-/Mikro-3-D-Drucktechnologie gibt Ingenieuren die Werkzeuge an die Hand, um kompliziert komplexe und unregelmäßig geformte Steckverbinder zu entwerfen. Laut Xiaoning hat BMF auch Aufträge in vielen anderen Bereichen erhalten, darunter Präzisionskeramikkomponenten.

Wie jede neue Technologie wird auch der Nano-/Mikro-3-D-Druck immer präziser, leistungsfähiger und kostengünstiger. Es kann eine höhere Genauigkeit zu deutlich geringeren Kosten liefern und ist schneller und einfacher als herkömmliche Methoden, die ein ähnliches Maß an Präzision erzielen.

Der weltweite Markt für hochpräzise gefertigte Teile ist sehr anspruchsvoll und lukrativ. Und oft funktioniert traditionelle Technologie einfach überhaupt nicht, sagt Xiaoning. Bei der Beschreibung der Herausforderungen bei der Herstellung mikroskopisch kleiner Komponenten zitiert er einen Branchensatz: Manchmal sagen wir: „Je kleiner, desto härter.“

Weitere Informationen zur Nano-/Mikro-3-D-Drucktechnologie finden Sie unter www.bmftec.cn

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