Durchbruch beim 3D-Druck Additive Fertigung trifft elektrische Verbindungstechnik

Von Dr. Sascha Nolte und Dr. Sonja Baumgartner*

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Eine Branche auf der Suche nach Lösungen: Um die additive Fertigung bei Steckverbindern über den Prototypenbau hinaus zu nutzen, braucht es neue Werkstoffe, Prozesse und Anlagen. Nun ist mit dem Verfahren Hot Lithography und neuen Werkstoffen der Durchbruch bei der Serienfertigung von 3D gedruckten Steckverbindern gelungen.

3D-Druck von Steckverbindern: Additive Fertigung bietet in der elektrischen Verbindungstechnik viele Potenziale. Doch bisher war eine Serienfertigung nicht möglich. Das soll sich jetzt ändern. Cubicures ThermoBlast setzt einen Benchmark für Materialien zur additiven Herstellung von elektrischen Verbindungselementen.
3D-Druck von Steckverbindern: Additive Fertigung bietet in der elektrischen Verbindungstechnik viele Potenziale. Doch bisher war eine Serienfertigung nicht möglich. Das soll sich jetzt ändern. Cubicures ThermoBlast setzt einen Benchmark für Materialien zur additiven Herstellung von elektrischen Verbindungselementen.
(Bild: Cubicure)

Die additive Fertigung (Additive Manufacturing, AM) ist vor über dreißig Jahren mit Erfindungen und ersten Maschinen zur Stereolithographie, zum Fused Deposition Modeling und zum Selective Laser Sintering entstanden. Sie wird häufig synonym als 3D-Druck bezeichnet und ist derzeit im Bereich der Kunststoffe, Metalle und Keramiken hauptsächlich im Prototypen- und Musterbau im Einsatz.

Zunehmend werden auch Einsatzfelder in der Herstellung von Werkzeugen und auch von Endprodukten verwirklicht. Die additive Fertigung gilt als ein integrierter Bestandteil der direkten digitalen Fertigung und der Industrie 4.0.

Die Branche der elektrischen und elektronischen Verbindungstechnik repräsentiert Unternehmen mit hoher Innovationskraft, meist hoher Fertigungstiefe und großer Kompetenz in der Kunststoff- und Metallverar­beitung. Die Herausforderungen bei der Produkt­realisierung liegen in vielfältigen technischen und wirtschaftlichen Anforderungen bei zumeist kleiner Baugröße in überwiegend großen Stückzahlen. Zunehmend gilt es, auch kleinere Stückzahlen aus unterschiedlichen Werkstoffen wirtschaftlich herzustellen.

Additive Manufacturing in der Verbindungstechnik

Additive Manufacturing nutzen die Hersteller von Produkten in der elektrischen Verbindungstechnik bereits seit Jahrzehnten. Durch die langjährige Auseinander­setzung mit der Thematik existiert bei den Unternehmen durchgängig ein hohes Verständnis für die Technologie; Experten in Forschung und Entwicklung sowie in der Produktion wurden ausgebildet.

Die Firmen besitzen entweder einen eigenen Maschinenpark oder greifen auf ein Netzwerk von Dienstleistungsunternehmen zurück, mit deren Hilfe verschiedenartige Bauteile unter Einsatz additiver Fertigungsverfahren gefertigt werden können.

Die Unternehmen der Branche setzen additive Produktionsverfahren heute hauptsächlich für die Erstellung von Marketing- und Handhabungsmustern, Anwendungen zur Fertigungsunterstützung und die Produktion von funktionalen Prototypen ein, die in der späteren Serienproduktion mit konventionellen Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel Kunststoffspritzguss, hergestellt werden. Dabei werden vor allem die Vorteile einer schnellen Verfügbarkeit der Muster ohne den Aufbau eines formgebenden Werkzeuges genutzt.

Ein weiterer Vorzug wird darin gesehen, notwendigen Geometrie­änderungen zeitnah zu folgen. Iterationsschleifen in der Produktentwicklung werden schneller durchgeführt und somit die Optimierung der Produkte beschleunigt. Die entstehenden Muster unterstützen umfänglich den Produktentstehungs- und Markteinführungsprozess.

Potenzial des 3D-Drucks in der Steckverbinderbranche

Seit wenigen Jahren analysieren die Unternehmen jedoch auch, ob und in welchem Umfang additive Fertigungsverfahren für die Fertigung verkaufsfähiger Produkte geeignet sind und welche Kundenvorteile und neuen Geschäftsmodelle sich daraus ergeben. Die Spannweite der Analyse ist groß. Produktionsverfahren langjährig existierender Produkte, die bereits das Ende ihres Lebens­zyklus erreicht haben, aber noch für Nachlieferungsfälle benötigt werden, könnten umgestellt werden.

Neue digitale Geschäftsmodelle könnten entstehen, bei denen Kunden beispielsweise die Möglichkeit haben, Produkte online an ihre Bedürfnisse anzupassen und diese dann über die Produktions- und Lieferkette in kürzester Zeit auch in kleinsten Stückzahlen zu erhalten. Auch der optimierende Einfluss der additiven Fertigung auf die Lieferketten wird untersucht.

Die Unternehmen der Branche suchen auch in den Bereichen des Baus von Werkzeugen, Werkzeugteilen, Vorrichtungen oder Produktionshilfsmitteln nach möglichen Einsatzbereichen. Da die additive Fertigung prinzipiell die Elemente der digitalen Fertigung bedient, suchen Mitgliedsunternehmen in diesem Bereich nach neuen Möglichkeiten, den Trend zu umfassender Digitalisierung und den damit verbundenen Wandel für sich nutzbar zu machen.

Neue Werkstoffe, Prozesse und Anlagen

Allerdings ist bislang festzustellen, dass die Aktivitäten der Hersteller von Materialien und Anlagen in der additiven Fertigung die Kernbedürfnisse der elektrotechnischen Branche nicht ausreichend abdecken.

Um die additive Fertigung in der Steckverbinderbranche umfassender und deutlich über den Prototypenbau hinausgehend nutzbar zu machen, soll angestrebt werden, die Werkstoffe, Prozesse und Anlagen für die Branchenbelange stimmiger zu entwickeln, die Stakeholder der additiven Fertigung besser mit den spezifischen Anforderungen vertraut zu machen, und im Dialog für die Branchenunternehmen innovative Produktlösungen zu erarbeiten.

Die beteiligten Unternehmen beschließen daher, gemeinsam an optimierten Lösungen zu arbeiten. Dabei bietet der ZVEI interessierten Partnern folgende Informationen und Unterstützung:

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Steckverbinder: Industrielle Produktion mit Stereolithographie

Das Wiener Unternehmen Cubicure hat erkannt, dass gerade die Anforderungen im Bereich der elektrischen Verbindungstechnik und die Vorteile von AM eine Schnittmenge bilden: kleine, hochkomplexe und individuelle Bauteilgeometrien, anspruchsvolle Materialeigenschaften, hohe Produktvielfalt und kleine Serien. In der additiven Fertigung ist die Kombination aus Bauteilpräzision und Materialeigenschaften der Schlüssel zum industriellen Einsatz.

Derzeit können im Bereich der Kunststoff-AM nur lichthärtende (lithographische) Drucktechnologien mit dem geforderten und aus dem Spritzguss bekannten Präzisionsniveau mithalten. Die mittels lithographischem 3D-Druck hergestellten Bauteile wiesen jedoch bisher vorwiegend spröde Materialeigenschaften und/oder eine geringe Wärmeformbeständigkeit auf und boten daher keine zufriedenstellenden Lösungen für den industriellen Produktionssektor.

Insbesondere Anwendungen im Elektronikbereich haben höchste Anforderungen an Material und Bauteil, wodurch dieser Sektor bisher nur in sehr geringem Ausmaß von 3D-gedruckten Teilen profitieren konnte.

Hot Lithography für exakt steuerbare Druckprozesse

Bild 1: Die 3D-Drucker von Cubicure ermöglichen erstmals die Serienfertigung von Systemen in der Verbindungstechnik.
Bild 1: Die 3D-Drucker von Cubicure ermöglichen erstmals die Serienfertigung von Systemen in der Verbindungstechnik.
(Bild: Cubicure)

In der Vergangenheit konnten verfahrensspezifisch nur sehr dünnflüssige Harzsysteme eingesetzt werden, die aufgrund ihrer Eigenschaften nur zu spröden Bauteilen verarbeitet werden konnten. Um das chemische Prozessfenster zu erweitern und die Limitationen der bisher eingesetzten Reaktivchemie zu überwinden, fanden die Wiener Experten vor allem beim Verarbeitungsprozesses eine völlig neue Lösung: die Technologie Hot Lithography (Bild 1).

Dabei handelt es sich um eine heißlithographische Verfahrensart, die bei exakt steuerbaren Prozessbedingungen schwer verarbeitbare und hochviskose Grundstoffe präzise zu dreidimensionalen Objekten formt. Das Wiener Unternehmen bediente sich für die Verfahrensentwicklung bekannter Konzepte der Laser-Stereolithographie, erweitert durch innovative Beheizungs- und Beschichtungsverfahren.

Dank hochpräziser Laser-Scanner-Systeme können mit dem in Caligma-Druckern verbauten Prozess Objektdetails mit einer Genauigkeit bis zu 0,02 mm aufgelöst und mit dem Spritzguss vergleichbare Oberflächengüten erzielt werden.

Vorteile von Hot Lithography

Ein wesentlicher Prozessvorteil der Hot Lithography ist vor allem die Möglichkeit, zähflüssige Pasten und dadurch auch gefüllte Polymersysteme prozesssicher und mit höchster Genauigkeit zu verarbeiten. Über anorganische oder organische Füllstoffe können zusätzliche Materialeigenschaften im Kunststoff integriert werden. Einen großen Vorteil kann dies im Bereich schwer brennbarer oder selbstverlöschender Materialien darstellen.

Hier setzten die Experten an und entwickelten mit dem Material Evolution FR den ersten AM-Kunststoff, der die Prüfung nach UL 94 V-0 besteht. Durch das umfangreiche Knowhow im Bereich der Photochemie und durch die Erweiterung des Prozessfensters sind den Wienern weitere große Würfe im Bereich der Materialentwicklung gelungen, darunter mit ThermoBlast ein Material, das auf dem Kunststoffmarkt einzigartig ist.

Mit einer Wärmeformbeständigkeit bis 300 °C (HDT-B) und Prüfbarkeit nach UL 94 V-0 bei 0,45 mm sowie außergewöhnlicher Durchschlags- und Kriechstromfestigkeit ist hier ein Benchmark für flammhemmende Kunststoffe gelungen.

Industrielle Produktion von 3D gedruckten Steckverbindern

Zahlreichen Neu- und Weiterentwicklungen auf dem AM-Markt in den letzten Jahrzehnten ist es bislang nicht gelungen, den Sprung von der Prototypenfertigung zur Serienfertigung zu schaffen. Trotz langjähriger Auseinandersetzung von Unternehmen der elektrischen und elektronischen Verbindungstechnik mit additiver Fertigung wurde der 3D-Druck bislang nur als Hilfsmittel zur Vorbereitung auf den Spritzgussprozess genutzt und die Bauteile nur im Hinblick auf konventionelle Fertigung entworfen.

Die industrielle Produktion von verkaufsfähigen 3D-gedruckten Bauteilen zu ermöglichen, ist Kernziel des Wiener Unternehmens.

Bild 2: 
Das 3D-Druck-System Cerion ermöglicht erstmals die Serienproduktion von verkaufsfähigen Bauteilen mit einem Stereolithographieprozess.
Bild 2: 
Das 3D-Druck-System Cerion ermöglicht erstmals die Serienproduktion von verkaufsfähigen Bauteilen mit einem Stereolithographieprozess.
(Bild: Cubicure)

Im Jahr 2021 wurde dieses Ziel mit dem Produktlaunch des 3D-Druck-Systems Cerion (Bild 2) erreicht. Damit gelingt Skalierbarkeit, nicht nur hinsichtlich der Größe, sondern auch beim Durchsatz auf Industrieniveau. Bauteile können auf dem kleineren, hochauflösenden System Caligma entwickelt und für Kleinserien produziert werden.

Materialeigenschaften und Geometrien sind direkt auf den Großserienprozess übertragbar. Die Philosophie des Unternehmens, einen industrie­tauglichen Prozess anzubieten – von der Harzerzeugung über die Maschinen bis hin zum Post-Processing – öffnet Türen zu neuen Konzepten für Bauteilentwicklung und -produktion.

Machbarkeitsstudie: Additive Fertigung in Serie

In Zuge einer Machbarkeitsstudie mit einem namhaften Hersteller für elektrische Verbindungselemente wurden Isolierkörper für Steckverbindergehäuse additiv hergestellt. Ziel war es, diese Isolierkörper sowohl als Prototypen als auch in Serie additiv zu fertigen, damit die finalen Materialeigenschaften der Bauteile von Anfang mess- und testbar sein würden. Erste Druckversuche zeigten, dass die ursprünglich aus dem Spritzgussprozess optimierten Geometrien für den Druckprozess unvorteilhaft waren.

Innerhalb weniger, schneller Iterationen führten einfache konstruktive Änderungen und die Analyse von Best-Practice-Beispielen aus dem 3D-Druck zu Bauteilen, die nicht nur die Vorbereitung und den Druck, sondern vor allem die Reinigung und Nachbearbeitung massiv vereinfachen.

Durch den hohen manuellen Aufwand, der beim Entfernen von Hilfsstrukturen notwendig ist, ist vor allem in der Serienfertigung ein derartiges Einsparpotenzial essenziell. Die Optimierung der Strukturen führte zu Bauteilen, die in einer Serie von jährlich 150.000 Stück auf einer Cerion-Maschine produziert werden können.

* Dr. Sascha Nolte ist Head of Smart Connectivity Competence Center bei Weidmüller Interface in Detmold. Dr. Sonja Baumgartner ist Head of Business Development bei Cubicure in Wien / Österreich.

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