Experteninterview: Petar Stefanov, Gründer und CTO der Spectroplast AG, über die Vorteile des 3D-Silikondrucks

Die Werkstoffkunde in der additiven Fertigung entwickelt sich rasant weiter, wobei der 3D-Silikondruck für die Branche eine besonders spannende Entwicklung darstellt. Silikon ist ein vielseitiges elastomeres Material, das für seine Biokompatibilität, Wärmeleitfähigkeit und Wärmebeständigkeit bekannt ist.
 
Das Schweizer Unternehmen Spectroplast will beim 3D-Silikondruck neue Maßstäbe setzen. Nach jahrelanger Forschung an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich (ETH Zürich) hat Spectroplast im September letzten Jahres ein Servicebüro für den 3D-Silikondruck eröffnet.
 
Im Experteninterview dieser Woche diskutieren Spectroplast-Gründer und CTO Petar Stefanov die einzigartigen Vorteile des 3D-Silikondrucks, die vielversprechendsten Anwendungen für die Technologie und die Realitäten des Betriebs eines 3D-Druck Servicebüros.
 

Können Sie Spectroplast und die Mission des Unternehmens beschreiben?

Spectroplast entstand aus der mehrjährigen Forschung mehrerer Doktoranden der ETH Zürich, einer der weltweit führenden Technologieuniversitäten. Mit der Einführung von Spectroplast war es unser Ziel, diese Forschung in eine kommerzielle Gelegenheit umzusetzen.
 
Die Kernkompetenz unseres Unternehmens liegt in den Materialwissenschaften. Wir haben eine Materialchemie entwickelt, die den 3D-Druck von reinem Silikon ermöglicht.
 
Darüber hinaus haben wir sowohl beim Prozess als auch bei der Hardware erhebliche Fortschritte erzielt. So decken wir die gesamte Wertschöpfungskette ab, die erforderlich ist, um Silikon vom Rohmaterial bis zum fertigen 3D-gedruckten Teil zu bringen.
 

Was sind die Vorteile des 3D-Drucks zur Herstellung von Silikonteilen im Vergleich zu herkömmlichen Methoden?

Üblicherweise werden Silikonteile im Spritzgussverfahren hergestellt, das auf eine Hochdurchsatzproduktion und standardisierte Designs zugeschnitten ist. Mit diesem Prozess sind viele Fixkosten verbunden, da eine Form konstruiert und hergestellt werden muss. Auch die Validierung der Form selbst ist recht kostenintensiv und zeitintensiv.
 
Beim Spritzgießen sprechen wir von 8 bis 12 Wochen, von dem Zeitpunkt, an dem Sie eine Bestellung aufgeben, bis Sie Ihre ersten Teile sehen können. Die Kosten können allein für die Form weit über 100.000 USD liegen.
Wenn Sie Ihr Design ändern möchten, nachdem Sie Ihr erstes Teil gesehen haben, müssen Sie die Form neu erstellen und die Kosten und die Zeit erhöhen sich weiter.
 
Spectroplast bietet ein komplementäres Verfahren zum Silikonspritzgießen mit Additive Manufacturing (AM) an. Unser Verfahren ist auf die kundenindividuelle Massenproduktion von Teilen zugeschnitten. Dies bedeutet, dass wir jedes einzelne Teil individuell anpassen können, um die vorgegebenen Spezifikationen zu erfüllen und gleichzeitig Material und Energie zu sparen.
 
Bei einigen Projekten liegt die Ausschussquote beim Spritzgießen zwischen 40% und 50%. Dies ist sehr bedeutsam, da es bedeutet, dass nur jedes zweite Stück funktionstüchtig ist. Wir haben die Ausschussquote und den Energiebedarf auf nahezu Null gesenkt.
 
Der ultimative Vorteil von AM ist, dass bei unserem Prozess die Komplexität der Form kostenlos ist. Daher können wir wesentlich komplexere Konstruktionen herstellen, als dies beim Spritzgießen möglich ist.
 
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass beim Spritzgießen zwei Schlüsselbereiche fehlen: Bei der ersten handelt es sich um kleine bis mittlere Auflagen, die etwa 50 bis 100.000 Stück pro Jahr betragen. Dies ist die Mindestmenge, die erforderlich ist, damit das Spritzgießen wirtschaftlich ist.
 
Zweitens die Formkomplexität. Komplexe Teile, die entweder zu teuer oder im Allgemeinen zu komplex zum Formen sind, können bei der Herstellung mit AM kostengünstiger sein.
 

Was sind einige der möglichen Anwendungen beim Silikon-3D-Druck?

Der Silikon-3D-Druck findet in vielen verschiedenen Branchen Anwendung. Wenn Sie sich in einem Büro umschauen, enthält das meiste, was Sie sehen, einen Silikon Anteil.
 
Dies liegt an den Materialeigenschaften: Silikon ist ein Elastomer, ein weiches und dehnbares Material und ebenfalls ungiftig. Es ist auch biokompatibel und beständig gegen Hitze, UV-Licht und Chemikalien. Es ist gasdurchlässig, isolierend und inert, wodurch es für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist.
 
Derzeit zielt Spectroplast auf höherwertige Anwendungen im Gesundheitswesen ab, beispielsweise auf maßgeschneiderte medizinische Geräte. Dazu gehören Geräte wie Hörgeräte, Gehörschutz, maßgeschneiderte Kopfhörer usw.
 
Andere tragbare medizinische Geräte wie Masken, Prothesen, Prothesenauskleidungen – insbesondere Schuheinlagen – bis hin zu kundenspezifischen medizinischen Implantaten können aufgrund ihrer Biokompatibilität und Weichheit von 3D-bedrucktem Silikon profitieren. Beispielsweise können Tracheal-Stents und Herzklappen dank AM vollständig an die Bedürfnisse des Patienten angepasst werden.
 

Sie haben erwähnt, dass Sie sich derzeit speziell auf Anwendungen im Gesundheitswesen konzentrieren. Können Sie den Grund dafür näher erklären?

Wir glauben, dass das Gesundheitswesen der Bereich ist, in dem wir unseren Kunden den größten Mehrwert bieten können. Um die Anwendung genau zu benennen, wir freuen uns sehr über den Mehrwert, den wir mit maßgeschneiderten Prothesen bieten können, insbesondere maßgeschneiderter Brustprothesen für Brustkrebspatientinnen.
 
Nach einer Mastektomie wird ein Teil der Brust entfernt und die meisten Patientinnen müssen sich für eine externe Prothese entscheiden, im Wesentlichen ein Silikonobjekt, das in einem BH getragen wird. Heutzutage gibt es nur einige standardisierte Größen und noch weniger standardisierte Formen, und diese passen normalerweise nicht perfekt zur Anatomie der Patientin passen.
 
Die Symmetrie geht verloren und dies hat einen großen Einfluss auf das Wohlbefinden des Patienten. Was wir ermöglichen, ist die vollständige Anpassung der Prothesen an den individuellen Patienten und die Beibehaltung der ursprünglichen Symmetrie.
 

Können Sie konkrete Beispiele dafür nennen, wie Sie Ihren Kunden geholfen haben?

In Bezug auf die Brustprothetik haben wir gerade eine Partnerschaft mit dem Universitätsspital Zürich geschlossen, das Patienten empfiehlt, unseren Service zu nutzen. Das ist unsere jüngste Partnerschaft, auf die wir sehr stolz sind. Es ist wichtig, dem Bedarf der Patienten ausgesetzt zu sein und ihr Feedback direkt einzuholen.
 
Während ich hauptsächlich über Anwendungen im Gesundheitswesen gesprochen habe, sind wir auch in anderen Branchen aktiv. In der Regel handelt es sich hierbei um nicht zertifizierte Anwendungen, auf die wir sofort zugreifen können, einschließlich Kunden aus der Automobil- und Luftfahrtindustrie.
 

Was sind die besonderen Herausforderungen beim 3D-Druck von Silikon, da es sich stark vom 3D-Metall- oder Polymerdruck unterscheidet?

Die zentrale Herausforderung beim Bedrucken von Silikon liegt in der Viskosität des Materials. Silikon ist in seinem natürlichen Zustand eine hochviskose, fast gelartige Substanz, die mit herkömmlichen AM-Ansätzen nur sehr schwer zu verarbeiten ist.
 
Menschen verwenden unterschiedliche extrusionsbasierte Verfahren zum Bedrucken von Silikon. Beispiele hierfür sind Robocasting und das Drop-on-Demand-Verfahren, bei denen das Material extrudiert wird. Aufgrund der hohen Viskosität des Materials kann die Extrusion bis zu einem bestimmten Auflösungsniveau durchgeführt werden, das nicht weiter verbessert werden kann. Da das Material fast so viskos ist wie Honig, hat das Extrudieren durch eine winzige Öffnung so seine Grenzen.
 
Das Auflösungsniveau und damit die Oberflächenbeschaffenheit, sowie die Reihe von zugänglichen Silikonen werden also im Wesentlichen durch diese herkömmlichen Verfahren begrenzt. Was wir bei Spectroplast geschafft haben, ist, dass wir das Material an einen stereolithographie-kompatiblen Ansatz angepasst haben, genauer gesagt an ein digitales Lichtverarbeitungsverfahren, das eine viel höhere Auflösung und damit eine verbesserte Oberflächengüte liefert.
 
Wir haben es geschafft das vorhandene Auflösungsniveau, um den Faktor 20 zu verbessern. Daher haben wir es von der auf dem Markt vorhandenen Millimetertoleranz auf 50 Mikrometer herunter gesenkt.
 
Auf der Seite der Skalierbarkeit sind bestehende Druckmethoden für Silikon in Bezug auf Geschwindigkeit und Durchsatz nicht industriell skalierbar. Es ist uns jedoch gelungen, die Geschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichen 3D-Druckverfahren für Silikon um mindestens das Zehnfache zu steigern.
 
Wir glauben, dass diese Kombination aus der außergewöhnlichen Oberflächenbeschaffenheit und dem Hochdurchsatzverfahren die erste AM-Technologie für Silikon ist, die für den industriellen Einsatz maßgeschneidert ist.
 

Wie ist es, ein Servicebüro als Unternehmen zu führen? Was sind die täglichen Herausforderungen?

Das eine Wort, mit dem ich es beschreiben würde, ist aufregend. Es wird nie langweilig. Dies hat mit den unterschiedlichen Kundenwünschen zu tun, die wir täglich erhalten. Spectroplast wurde im September letzten Jahres eröffnet. Seitdem haben wir mehr als 150 B2B-Kunden, die alle sehr unterschiedliche Anwendungen haben.
 
Jeden Tag lernen wir von unseren Kunden, wie unsere Technologie auf neue Weise genutzt werden kann, Möglichkeiten, an die wir nie gedacht hätten. Dies ist von unschätzbarem Wert, da es uns hilft, die Technologie in eine Richtung weiterzuentwickeln, die auf dem Markt benötigt wird, anstatt etwas auf den Markt zu bringen, das bereits entwickelt wurde.
 
Das bringt jedoch auch seine eigenen Herausforderungen mit sich. Da wir täglich viele verschiedene Anwendungen von unseren Kunden erhalten, müssen wir uns ständig an jede neue Anwendung anpassen, die als Auftrag eingeht.
 

Wie würden Sie den aktuellen Stand des 3D-Drucks beschreiben? Und wie sehen Sie die Entwicklung in den nächsten Jahren?

Wir stehen an einem Wendepunkt. Einem, an dem AM endlich zu einem tragfähigen Herstellungsprozess wird.
 
Endlich verfügen wir über die Technologien und Workflows sowie Software, die die Einführung von AM für die Serienproduktion unterstützen. Verwechseln Sie dies jedoch nicht mit einer sehr hohen Serienproduktion. Ich glaube da sind wir noch nicht angekommen.
 
Ich glaube, es gibt einen besonderen Platz für AM, als Ergänzung zu herkömmlichen Methoden, und es findet seinen eigenen Platz in Bezug auf Produktionsvolumen und Wert.
 

Gibt es bestimmte Trends, die Sie sehen?

Auf jedem Fall. Wir haben zum Beispiel festgestellt, dass das Auftragsvolumen steigt. Wir wechseln von einfachen Prototypen und Werkzeugen zur Endproduktproduktion über.
 
Auf der Seite der Nachfrage sehen wir, dass die Produktlebenszyklen immer kürzer werden und die Produkte immer vielfältiger werden. Dies bedeutet, dass von jedem Design weniger Teile hergestellt werden, was für AM sehr gut ist, da es genau dort einen Mehrwert bieten kann. Die Diversifizierung der Produktdesigns und die Verringerung des Serienvolumens von Produkten ist uns in verschiedenen Branchen aufgefallen.
 

Spectroplast erhielt kürzlich eine Anschubfinanzierung von 1.4 Mio. CHF. Was bedeutet diese Investition für Ihr Unternehmen in Zukunft?

Wie bereits erwähnt, betreuen wir bereits mehr als 150 Kunden, und dieser Kundenstamm wächst täglich. Die Investition wird uns dabei helfen, unsere Produktionskapazität zu erhöhen. Wir investieren in einen zusätzlichen Maschinenpark und zusätzliches Personal, um größere und wiederkehrende Bestellungen zu unterstützen.
 
Zum anderen hilft die Investition auch, die Technologie weiterzuentwickeln und eine neue Generation von Werkstoffen auf den Markt zu bringen.
 
Alles in allem steigern wir das Qualitätsniveau, das unser Servicebüro bietet, auf ein Niveau, das mit den von unseren Kunden natürlich erwarteten Spritzgussstandards vergleichbar ist.
 
Um mehr über Spectroplast zu erfahren besuchen Sie: spectroplast.com