Eingebettete elektrische Leiterbahn in einem FDM-Bauteil (Bild: Bayerisches Laserzentrum)
Als Erweiterung von additiv gefertigten Bauteilen mit mechanischer Funktion ist die gedruckte Elektronik aus dem 3D-Drucker ein zukunftsorientiertes Beispiel für das Potenzial der Additiven Fertigung [1]. Das Erzeugen mechatronischer Bauteile, sogenannte Molded Interconnect Devices (MID), wird aktuell zu einem großen Teil durch die Serienfertigung im konventionellem Spritzguss in Kombination mit nachgelagerten Metallisierungsverfahren abgedeckt.
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Daneben existieren weitere Verfahrenskombinationen, bei denen in additiver Fertigung und ebenfalls nachgelagerten Prozessschritten mechatronische Bauteile für Klein- und Mittelserien generiert werden können. Die additive Technik bietet allerdings die Möglichkeit, die gesamte Fertigungskette mechatronischer Bauteile in einem flexiblen und ökonomischen Prozess abzubilden. Hierzu stellt der Fused Deposition Modeling Prozess (FDM) aufgrund der geringen Zykluszeiten in Kombination mit geringer thermischer Belastung unter Verwendung thermoplastischer Werkstoffe eine attraktive Technologie dar. Durch eine in situ Integration der elektronischen Komponenten während des additiven Fertigungsprozesses lassen sich neben einer Funktionalisierung der Bauteiloberfläche auch eingebettete Strukturen erzeugen.
Von der Prototypen zur Serienfertigung im 3D-Druck
Bei der Entwicklung und Herstellung mechatronischer Komponenten sind Unternehmen mit steigenden Anforderungen hinsichtlich Miniaturisierung, Funktionsintegration und Zuverlässigkeit konfrontiert [2]. Die MID-Technologie ist eine vielversprechende Lösung, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Die geometrischen und funktionalen Anforderungen an MID steigen stetig [3], sodass auch die wirtschaftliche Herstellung funktionaler und dreidimensionaler MID-Prototypen für seriennahe Tests während der Konzeptphase wichtig ist bei der Produktentwicklung [4]. Hierfür und für die Fertigung von Kleinserien von MID existieren derzeit nur bedingt hinreichende Verfahren.
Eine neuartige, additive Prozesskette zum Aufbau komplexer, hochintegrierter räumlicher elektronischer Baugruppen für MID-Prototypen und Kleinserien wird durch die Verwendung der Fused Modeling Technologie in Kombination mit laserbasiertem Sintern gedruckter Silberpartikelpasten geschaffen. Damit lassen sich mechanische Funktionsbauteilen aus Thermoplast-Compounds herstellen. Während des schichtweisen Aufbaus der Proben ist ein einfaches und störungsfreies Eingreifen in den Prozess möglich. Dadurch ist die Voraussetzung gegeben, das additiv gefertigte Bauteil während der Herstellung zu funktionalisieren (Abb. 1). Ingenieure der Bayerisches Laserzentrum beschäftigen sich mit der Untersuchung neuer innovativer Technologien zur schnellen und flexiblen Erzeugung von elektronischen Strukturen auf FDM-Werkstoffen mit Lasertechnologie. Die Basis hierfür bildet die Kombination aus einem Direct-Printing-Verfahren für den gezielten Auftrag einer Silberpartikelpaste und einem nachgelagerten Sinterprozess mit Laserstahlung.
Laserbasierte Erzeugung leitfähiger Strukturen
Generierte elektrische Leiterbahn mittels Silberpartikelpaste und Sintern durch selektive Laserbestrahlung (Bildquelle: Bayerisches Laserzentrum)
Ein achsgesteuertes Dispenssystems trägt selektiv Silberpartikelpaste auf das generierte Bauteil auf. Ein direkt nachgelagerter quasi-simultaner Laserbestrahlungsprozess der Silberpartikelpaste mit einem Faserlaser der Wellenlänge 1.070 nm ermöglicht ein lokales Sinteren der Paste. Durch das berührungslose und selektive Verfahren ist die thermische Belastung des Substrates und der angrenzenden elektronischen Komponenten sehr gering (Abb. 2). Neben elektrischen Leiterbahnen können mit dieser Technologie auch Kontaktierungen für Elektronikkomponenten realisiert und dadurch in die Bauteilmatrix eingebettet werden. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Silberpasten liegt bei weniger als 10 µm. Die elektrische Leitfähigkeit der Laser-gesinterten Silberpartikelpaste beträgt 3,7 x 106 S/m (etwa 6 Prozent des Reinmaterials Silber).
Literatur
[1] J. Franke, Three-Dimensional Molded Interconnect Devices (3D-MID), Muenchen: Carls Hanser Verlag, 2014.
[2] J. Franke, J. Gausemeier, C. Goth und R. Dumitrescu, MID-Studie 2011 – Markt- und Technologieanalyse, Paderborn: Studie im Auftrag der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V., 2011.
[3] F. Schüßler und e. al., „Molded Interconnect Devices for Applications with Advanced Thermal Requirements,“ Proceedings of the 8th international congress molded interconnect devices, Fürth, 2008.
[4] C. Pscherer, T. Frick und B. Wendel, „Hohe Flexibilität bei MID Anwendungen durch den Einsatz von Rapid Prototyping Verfahren,“ Tagungsband LEF, S. 81 – 87, 2003.
Weiterführende Informationen
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