In dreimonatigen Abständen finden seit 2021 einstündige virtuelle Meetings der Forschungsvereinigung 3-D MID e.V. statt. Die Termine werden auf der Homepage, auf LinkedIn und in Newslettern bekannt gegeben. Die Teilnahme ist für alle Interessent:innen frei zugänglich und kostenfrei. Zwei Vorträge aus dem industriellen Bereich über Produkte, Prozesse und Methoden der Qualitätssicherung oder aus der Forschung bilden hierbei den Inhalt dieses Formates. Eine Teilnehmer:innenanzahl im mittleren zweistelligen Bereich besucht regelmäßig die Veranstaltungen, um sich über Entwicklungen, Forschungsergebnisse und Trends zu informieren.
Beim 10. MID Day standen zwei Vorträge aus dem Bereichen Material- und Prozessentwicklung auf dem Programm. Der erste Vortrag mit dem Titel: „3D Funktionsintegration: vom Mikrowellensintern bis hin zu Agrarsystemen der Zukunft“ wurde von Prof. Dr. Christian Dreyer vorgestellt. Er leitet den Bereich Polymermaterialien und Composite PYCO im Fraunhofer Institut IAP – einen der sechs Forschungsbereiche. Seine Schwerpunkte liegen auf dem Gebiet der Polymer Entwicklung für Hochleistungspolymere, Mikroelektronik und optische Funktionen, Funktionsintegration, Nanocomposite und alternative Behandlungsmethoden wie UV, Mikrowellen und IR-Bestrahlung zur Erhöhung der Leitfähigkeit von gedruckter Elektronik. Das Fraunhofer Institut PYCO bearbeitet, zusammen mit dem Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der FAU Erlangen-Nürnberg das AiF-Projekt MikSin (Sintern gedruckter leitfähiger Strukturen durch Energieeintrag mittels Mikrowellenbestrahlung).
Substrate unterschiedlicher Materialien wie u.a. Thermoplaste oder (faserverstärkte) Duromere können durch den Auftrag leitfähiger Strukturen mittels verschiedener Druckverfahren wie Inkjet-, Piezo-Jet- oder Aerosol-Drucktechnologie funktionalisiert werden, indem diese Strukturen als Leiterbahnen zur Ansteuerung integrierter elektronischer Bauteile oder als Heizelemente verwendet werden. Für die abschließende Einstellung der Leitfähigkeit der gedruckten Strukturen ist ein dem Drucken nachgelagerter Sinterprozess der gedruckten leitfähigen Tinten erforderlich, der üblicherweise in konventionellen Öfen durch den direkten Wärmeeintrag in die bedruckten Halbzeuge vorgenommen wird.
Im Projekt MikSin wird der Energieeintrag mittels der Bestrahlung der Halbzeuge mit Mikrowellen untersucht. Indem in den leitfähigen Strukturen durch ein äußeres elektromagnetisches Feld Wirbelströme induziert werden, können diese selektiv erwärmt und in der Folge gesintert werden. Somit kann insbesondere der Bereich funktionalisierbarer Materialien um temperaturempfindliche und zugleich schwach polare Substrate erweitert werden: Diese bleiben von den Mikrowellen weitgehend unbeeinflusst und erfahren eine Erwärmung höchstens lokal in unmittelbarer Nachbarschaft zu den zu sinternden Leiterbahnen.
Abb. 1: Demonstrator beheizbare Armlehne aus dem PKW Bereich; Quelle: Fraunhofer PYCO
Abb. 1: zeigt drei Entwicklungsstadien des Demonstrators einer Armlehne aus dem PKW-Bereich. Im oberen Bereich wird die CAD-Darstellung der Armlehne vorgestellt, in der Mitte das Heizungslayout mit Silber-Zuleitung (grün) und Carbon-Heizleitungen (rot) und im unteren Bereich die Umsetzung des Layouts der Zuleitungen mit Silber-Paste auf einem APCB-Substrat.
Zur Herstellung des Demonstrators wurden Proben aus dem Material APCB Substrat in Form einer Armlehne und einem Piezodrucker, wie in Abb. 2 gezeigt wird, verwendet. Zwei leitfähige Tinten (Loctite ECI 8001 und Loctide EDAG 418 SS) wurden zum Vergleichen verarbeitet.
Abb. 2: Versuchsaufbau Piezodrucker; Quelle: Fraunhofer PYCO
Zum Sinterprozess mittels Mikrowellen wurde eine patentierte Durchlaufmikrowellenanlage des Fraunhofer PYCO eingesetzt. Wie sich in einem Vergleich mit einem heterogenen Ofen zeigt, liefert diese Anlage präzisere Ergebnisse und von daher eine ideale Eignung für die Herstellung temperatursensibler gedruckter MID-Baugruppen.
Abb. 3: Aufnahmen von Mustern mit unterschiedlichen Vergrößerungen: Ofensintern obere Zeile a) und b) sowie Mikrowellensintern untere Zeile c) und d); Quelle: Fraunhofer PYCO
Wie sich an der helleren Farbgebung in Abb. 3 Bild d erkennen lässt, wurde die leitfähige Silberschicht wenig verändert, was auf eine schonendere Behandlung durch das Mikrowellensintern, schließen lässt. Prof. Dreyer erläuterte abschließend noch die Anwendung der Mikrowellensinterung in zukünftige Produkte, beispielsweise in der Beleuchtung von Kultivierungsbehältern für das vertikal Farming.
Im zweiten Vortrag stellte Herr Niklas Piechulek vom Lehrstuhl FAPS der FAU Erlangen-Nürnberg seine Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt:“ Effiziente Kabine durch digitale Vernetzung von Technologien und Systemen (EFFEKT)“, gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, vor. Die Herausforderung in diesem Forschungsvorhaben war die Erprobung von Polymerwerkstoffen aus der Avionik mit eingebrachten Additiven für die Laser Direkt Strukturierung. Ziel war die Herstellung eines Demonstrators mit mechatronischer Integration. Hierbei wurde ein Kunststoffteil mit rein tragender Funktion mit einer elektronischen Funktion versehen. Als geeignetes Kunststoffteil wurde eine passenger service unit (PSU) ausgewählt. Für die Darstellung des Bauteils wurde ein für die Luftfahrt zugelassenes Compound ausgewählt und mit verschiedenen Aktivatoren von LPKF, Keeling & Walker und Merck mit einem prozentualem Anteil von 1 – 5 % versetzt. Anschließend wurde aus dem Polymer Compound ein Filament gewonnen, mit dem in einem 3D Drucker Demonstratorteile hergestellt wurden. Wegen der Vergleichbarkeit zu realen Teilen wurde eine komplexe Verschaltung entworfen, die mit einem LPKF-Laser auf die Bauteile appliziert wurde. Anschließend wurde das Bauteil mit Reagenzien von Rohm und Haas am Lehrstuhl metallisiert. Abb. 4 zeigt den CAD-Entwurf des Demonstrators mit der komplexen filigranen Verschaltung. Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass eine funktionierende Prozesskette für die Herstellung derartiger Baugruppen existiert. Es sind jedoch noch einige Optimierungspotentiale entlang der Prozesskette vorhanden, die in weiteren Forschungsvorhaben konsekutiv erarbeitet werden müssen. Die charakteristischen Vorteile der MID-Technologie wie Designfreiheit, Funktionserweiterung sowie Materialeinsparung sind auch in dieser Anwendung nachgewiesen.
