Als wir Apples bisher dünnsten Handheld-Computer auseinandernahmen, waren wir von seinem raffinierten Design begeistert. Mit nur 5,6 Millimetern Dicke ließ er sich erstaunlich leicht reparieren. Noch überraschender war, dass das MagSafe-Ladegerät denselben Akku wie das Telefon selbst verwendete (und diese sogar austauschbar waren!). Die anfängliche Begeisterung mag verflogen sein, und sollten die Berichte über Produktionskürzungen stimmen, dürfte diese Begeisterung deutlich nachgelassen haben.
Unsere mikroskopische Analyse des 3D-gedruckten USB-C-Anschlusses des iPhone Air hat in der Welt des 3D-Metalldrucks für Aufsehen gesorgt. In den vergangenen sechs Wochen haben wir mit zahlreichen Experten für additive Fertigung gesprochen, und Apple hat einige unserer wichtigsten Ergebnisse bestätigt. Nun möchten wir sie Ihnen vorstellen.
Wie haben sie das also geschafft? Wie wurde das erste 3D-gedruckte iPhone-Bauteil hergestellt?
Kleiner Hafen, aber großes Aufsehen.
Als die EU die Ladeanschlüsse für elektronische Geräte standardisierte, jubelten wir und der Rest der Welt. Doch als wir die Handys auseinandernahmen und die Anschlüsse genauer untersuchten, war unsere Hauptsorge, ob sie modular aufgebaut waren: Könnten sie im Schadensfall ausgetauscht werden?
In diesem Fall, nun ja, irgendwie schon. Es ist ziemlich kompliziert, viel komplizierter als ideal.
Dieses Mal lenkt Apple unsere Aufmerksamkeit jedoch auf den Anschluss: Sein Gehäuse wird im 3D-Druckverfahren aus recyceltem Titan von BLT mit einem Laser-Pulverbett-Schmelzverfahren hergestellt. Dieses additive Fertigungsverfahren wurde zeitgleich mit den 3D-gedruckten Titangehäusen der Apple Watch Series 11 und Ultra 3 eingeführt.
Es ist spannend zu sehen, wie die 3D-Drucktechnologie endlich für die Massenproduktion eingesetzt wird. Dieser Wandel hin zum 3D-Druck bringt auch erhebliche Vorteile für alle, denen Nachhaltigkeit am Herzen liegt: Apple berichtet, dass das Verfahren im Vergleich zu traditionellen Schmiedemethoden 331 bis 501 Tonnen Material einspart. In Zeiten, in denen übermäßiger Konsum ein großes Problem darstellt, ist eine effiziente Ressourcennutzung zweifellos eine willkommene Entwicklung.
Das Geheimnis der Kornkreismuster
Nach dem Auseinandernehmen des iPhone Air untersuchten wir den USB-C-Anschluss mit einem Evident DSX2000 Mikroskop. Die vergrößerte Aufnahme des USB-C-Anschlusses offenbarte ein rätselhaftes Detail: ein kettenartiges, kreisförmiges Oberflächenmuster, das selbst erfahrene 3D-Druckexperten nicht erklären konnten. Im Maßstab von 50 Mikrometern wirkt dieses Muster äußerst ungewöhnlich.
Erste Berichte deuteten darauf hin, dass Apple möglicherweise die Binder-Jetting-Technologie einsetzt, ein 3D-Druckverfahren, bei dem Pulver mit einem Bindemittel (das als Klebstoff dient) kombiniert wird. Vor zwei Jahren, als erstmals berichtet wurde, dass Apple mit 3D-Druck für Apple-Watch-Gehäuse experimentiert, präsentierte das chinesische Unternehmen EasyMFG ein Smartwatch-Gehäuse, das mit der Binder-Jetting-Technologie hergestellt wurde.
Unter dem Mikroskop betrachtet, sind die durch das Binder-Jetting-Verfahren erzeugten Muster jedoch deutlich unregelmäßiger als die kornkreisartigen Muster, die wir auf dem Gehäuse des USB-C-Anschlusses beobachtet haben. Daher vermuten unsere Branchenquellen, dass es sich bei dem von uns beobachteten Muster nicht um das Binder-Jetting-Verfahren handelte.
Hier muss ich eine wichtige Klarstellung anbringen: Trotz der interessanten Ähnlichkeiten zwischen den beiden Schnittstellen besitzt die USB-C-Schnittstelle keine antibakteriellen Eigenschaften. Die kreisförmigen Strukturen mit einem Durchmesser von etwa 30 Mikrometern sind nicht klein genug; wie einschlägige Forschungsergebnisse zeigen, sind Vertiefungen im Bereich von 5–10 Mikrometern erforderlich, um Bakterien wirksam abzuwehren.
Die ähnlichen Muster und Abmessungen deuten zwar nicht eindeutig auf den Einsatz von Pulslasertechnologie hin, legen aber dennoch eine mögliche Verwendung nahe. Darüber hinaus zeigen die Bilder Konturen der darunterliegenden Schichten mit demselben Muster, was darauf schließen lässt, dass die Technologie während des gesamten Druckprozesses und nicht nur auf der äußeren Schicht zum Einsatz kam.
Wie erwartet veröffentlichte Apple gestern einen Artikel, in dem das Herstellungsverfahren beschrieben wird: Unzählige Maschinen, jede mit sechs Lasern ausgestattet, stapeln 900 Titanschichten übereinander, um jedes einzelne Apple Watch-Gehäuse herzustellen. Obwohl der Artikel die “gepulste Laserablation” nicht explizit erwähnt, bestätigt die Beschreibung die Schlussfolgerungen unserer Experten.
Anmerkung der Redaktion: Basierend auf unseren Bildern gehen unsere Experten davon aus, dass es sich um gepulste Laserablation handelt, ein subtraktives Verfahren, bei dem Material abgetragen wird, um die endgültige Form zu erzeugen; additive Fertigung hingegen bezieht sich auf Laserschmelzen, ein Verfahren, bei dem Bauteile von Grund auf neu aufgebaut werden.
Warum könnte Apple sich für die gepulste Laserablationstechnologie entscheiden?
In Apples Artikel wurden die ökologischen Vorteile des 3D-Drucks mit Titan hervorgehoben und diese Entscheidung direkt mit dem Ziel des Unternehmens verknüpft, bis 2030 Klimaneutralität zu erreichen.
Durch den Einsatz von Druckverfahren anstelle von Stanzverfahren sparen sie dieses Jahr über 400 Tonnen Titanrohstoffe ein, was einen erheblichen Teil ihres jährlichen Titanverbrauchs von 7.000 Tonnen ausmacht. Die ökologischen Vorteile der reduzierten Abfälle aus dem Metallabbau und der Produktion liegen auf der Hand, und auch die wirtschaftlichen Vorteile sind beträchtlich: Der Titanmarkt ist seit jeher instabil, und da der Großteil der Titanverarbeitung in China stattfindet, wird der Titanpreis von den ständig schwankenden Zöllen beeinflusst.
Die Technologie der gepulsten Laserablation bietet jedoch noch weitere Vorteile, die für das iPhone Air und die Apple Watch Series 11 und Ultra 3 sehr attraktiv sein könnten.
So heiß ist es nicht mehr.
Kurze Wärmeimpulse (typischerweise im Nanosekunden- bis Femtosekundenbereich) minimieren die Wärmediffusion und verhindern so Verformungen oder Verfärbungen beim Schmelzen von 50 Mikrometer großen Titanpulverpartikeln. Verfärbungen mögen für die winzigen Bauteile im Inneren des iPhone Air unbedeutend sein, sind aber für das Gehäuse der Apple Watch von entscheidender Bedeutung.
In Apples Artikel wird erwähnt, dass die Wärmekontrolle durch Raffination von recyceltem Titan zur Herstellung eines sauerstoffarmen Gemisches notwendig ist; die Verwendung der Mikropulsverdampfung von Titanlegierungspulver könnte ihnen eine weitere Methode zur Kontrolle des Laserenergietransfers auf das wärmeempfindliche Titanlegierungspulver bieten.
Es kann nützliche Oberflächenbehandlungseffekte erzeugen.
Diese Mikrostruktur, ähnlich wie Kornkreise, könnte beim Montageprozess des iPhone Air eine Rolle spielen. Sie könnte möglicherweise die Haftung wasserdichter Dichtungen oder Beschichtungen um die Anschlüsse herum verbessern.
Tatsächlich nennt Apple diesen Vorteil als eines der Kernmerkmale des in der Apple Watch verwendeten 3D-gedruckten Titanmaterials. Sie geben an, dass ihr Verfahren ihnen Folgendes ermöglicht…
“Verbesserung der Wasserdichtigkeit des Antennengehäuses bei Mobilfunkmodellen. Das Gehäuse des Mobilfunkmodells verfügt über ein mit Kunststoff gefülltes Innenfach zur Unterbringung der Antenne. Durch 3D-Druck einer speziellen Textur auf der Innenfläche des Metalls erzielt Apple eine bessere Haftung zwischen Kunststoff und Metall.”
Man kann sich leicht vorstellen, dass der USB-C-Anschluss ebenfalls von einem ähnlichen Ansatz profitieren könnte.
Es ist sehr präzise.
Gepulste Laser können Metalloberflächen mit submikrometergenauer Präzision gravieren oder texturieren und eignen sich daher ideal für die Bearbeitung der empfindlichen Bauteile um USB-C-Anschlüsse oder für die Reinigung von Schweißbereichen. Angesichts der extrem hohen Präzisionsanforderungen an das iPhone Air, um dessen geringe Dicke von nur 5,6 mm zu erreichen, hat Apple offenbar die Präzisionsmöglichkeiten der gepulsten Laserablationstechnologie für die Abmessungen sowohl des USB-C-Anschlussgehäuses als auch des Apple Watch-Gehäuses erkannt.
Es ist sehr effizient.
Eine weitere Studie von Henriques et al. (ebenfalls aus dem medizinischen Bereich) demonstriert die Anwendung der Ultrakurzpulstechnologie als schnelles und effizientes Fertigungsverfahren. Angesichts des Potenzials dieser Technologie für die Massenproduktion von Komponenten für eines der meistverkauften Produkte der Menschheitsgeschichte (das iPhone hat den Toyota Corolla überholt, liegt aber immer noch hinter Klassikern wie Weizen und der Bibel zurück), ist die Einführung dieses energieeffizienteren, schnelleren und materialeffektiveren Verfahrens besonders wichtig.
Das Geheimnis von Titan in “Luft- und Raumfahrtqualität” wird gelüftet.
Die Untersuchung brachte noch ein weiteres interessantes Ergebnis zutage: die genaue Legierungssorte, die Apple verwendet. Apples Marketingteam bezeichnet sie als “Titanlegierung in Luft- und Raumfahrtqualität”, dies entspricht jedoch nicht der tatsächlichen Legierungssorte.
Diese Aussage ist möglicherweise irreführend, da die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) zeigt, dass die Legierung zwar auf T6Al4V (einer von mehreren Titanlegierungen in Luft- und Raumfahrtqualität) basiert, der Einsatz von Ferrochrom jedoch bedeutet, dass es sich nicht um die in der Luft- und Raumfahrt üblicherweise verwendete Legierung handelt. Der Chromgehalt führt bei hohen Temperaturen zu Sprödigkeit, und der Eisengehalt verringert die Korrosionsbeständigkeit – beides unerwünschte Eigenschaften in der Luft- und Raumfahrt.
Noch interessanter ist, dass dieses Ferrochrom-Element offenbar ein Nebenprodukt des Titan-Recyclingprozesses ist. Laut einem unserer Branchenexperten deutet dies darauf hin, dass Apple Titanabfälle aus seinen Produktionsprozessen recycelt, Ferrochrom hinzufügt, um diese einzigartige, für den 3D-Druck geeignete Legierung herzustellen, und dieses modifizierte Titan anschließend für die Verwendung in anderen Produkten wiederverwertet.
Dieser speziell angefertigte USB-C-Anschluss ist zweifellos ein technisches Meisterwerk. Wir vermuten, dass seine Entwicklung primär der Sicherstellung einer stabilen Lieferkette dient und damit der Abmilderung der Volatilität des globalen Titanmarktes – die daraus resultierende Reduzierung von Materialabfällen ist aber ebenfalls ein willkommener Nebeneffekt.
Wie kann diese Veränderung rückgängig gemacht werden?
Viele Reparaturbegeisterte sind von dem Potenzial des 3D-Drucks begeistert, die Branche zu revolutionieren: Wenn Ersatzteile zu Hause gedruckt werden können, müssen Hersteller keine riesigen Teilemengen mehr lagern. Auch der weltweite Versand von Teilen würde Energie und Geld sparen. Die benötigten Teile wären sofort verfügbar. Philips arbeitet an dieser Vision, und obwohl die Fortschritte langsam sind, hat das Unternehmen bereits Druckdateien für zwei Teile seiner Rasierer auf der Website „Printables“ bereitgestellt.
Bei Apple ist das jedoch anders. Apple hat keine Druckdateien bereitgestellt. Selbst wenn dies der Fall wäre, wäre es aufgrund der verwendeten Materialien und der hochspezialisierten Natur des Verfahrens für Nutzer mit Heim-3D-Druckern schwierig, diese zu verwenden. Darüber hinaus ist das 3D-gedruckte USB-C-Gehäuse aus Titan fest mit anderen Komponenten verbunden, und das Gehäuse der Apple Watch selbst ist nicht leicht zu beschädigen.
Kurz gesagt: Wie kann diese Veränderung die Mängel ausgleichen? Das kann sie nicht.
Die 3D-Drucktechnologie birgt das Potenzial, die Fertigung zu revolutionieren, die Effizienz zu steigern, CO₂-Emissionen zu reduzieren und die Umwelt durch den geringeren Bedarf an Rohstoffabbau zu schonen. Für die meisten Bauteile und Hersteller ist dies jedoch noch in weiter Ferne. Nur wenige Hersteller verfügen über das nötige Know-how und die Infrastruktur, um solche Verfahren umzusetzen, geschweige denn in großem Maßstab. Selbst Apple fängt klein an: Das Gehäuse des USB-C-Anschlusses ist ein winziges Bauteil in einem Produkt mit geringer Stückzahl und eignet sich daher ideal für Experimente.
Dennoch können wir das Rätsel der Kornkreise nicht ungelöst lassen. Daher sind wir den Experten der additiven Fertigungsindustrie, die uns bei der Erforschung der Möglichkeiten unterstützt haben, zutiefst dankbar.