Der 3-D MID e.V. initiierte das eigenmittelfinanzierte Forschungsprojekts „Zuverlässigkeit bei MID“ mit dem Ziel, Handlungsfelder zu identifizieren und die Zuverlässigkeit von MID-Produkten weiter zu steigern. In Zusammenarbeit mit Mitgliedsunternehmen wurden von der Fraunhofer Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik und dem HSG-IMAT zentrale Barrieren aufgedeckt, deren Beseitigung der 3-D MID e.V. in den kommenden Jahren durch gezielte Forschungsaktivitäten stärker fokussieren wird.
Die Technologie MID ermöglicht die Integration mechanischer, elektrischer, elektronischer und thermischer Funktionen auf einem räumlichen Schaltungsträger. Dadurch lassen sich Baugruppen mit hoher Funktionsdichte und erheblichem Miniaturisierungsgrad realisieren. Die Technologie eröffnet dem Design multifunktionaler Schaltungsträger den Weg in die dritte Dimension. Neben der großen Gestaltungsfreiheit beim Produktdesign erlaubt die Integralbauweise Lösungskonzepte, die mit konventionellen Technologien nicht oder nur schwer umsetzbar sind. Die Einsparung von Komponenten kann ebenfalls zu einer Reduzierung des Fertigungs- und Montageaufwands führen. Erfolgreiche Applikationen aus unterschiedlichen Anwendungsbereichen verdeutlichen diese Nutzenpotentiale.
Den Potentialen der Technologie stehen maßgebliche Herausforderungen während des Produktentstehungsprozesses gegenüber. Diese resultieren insbesondere aus den vielfältigen prozessspezifischen Restriktionen und Wechselwirkungen innerhalb der MID-Prozesskette sowie aus dem engen Zusammenwirken zwischen Produkt und zugehörigem Produktionssystem. Durch die unterschiedlichen Herstellungsverfahren, die Vielzahl an einsetzbaren Basissubstraten und die Schnittstellen im Herstellungsprozess, bspw. in Folge einer verteilten Wertschöpfungskette, ergibt sich eine hohe Komplexität. So kann eine mangelnde Stabilität eines Einzelprozesses oder eine unzureichende Qualitätskontrolle nach dem Prozess die Produktqualität beeinflussen. Zudem beeinträchtigen, bedingt durch den hohen Integrationsgrad, bereits kleinste Mängel die Funktion der Gesamtbaugruppe. Bild 1 stellt die vielfältigen Schnittstellen innerhalb der MID-Prozesskette schematisch dar.
Zugleich ist der Entwicklungs- und Fertigungsprozess innovativer mechatronischer Produkte durch steigende Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Komponenten geprägt. Es werden sowohl höhere Grenzen bei den Einsatzbedingungen als auch eine höhere Genauigkeit der Lebensdauerprognose gefordert. Auf der einen Seite muss die Zuverlässigkeit für hohe Stückzahlen und mitunter sicherheitskritische Bereiche für den gesamten Lebenszyklus gewährleistet werden. Auf der anderen Seite gewinnt die Nachweisbarkeit der Produkteigenschaften im Kontext Zuverlässigkeit – getrieben durch die Schlüsselbranche Automobiltechnik – zunehmend an Bedeutung. Die lückenlose Produkt- und Prozessqualifizierung stellt daher eine Basisanforderung dar, um Vertrauen bei potentiellen Kunden zu schaffen und Verantwortlichkeiten eindeutig zu klären.
Diesem Trend unterliegen auch MID-Baugruppen. Dem Erreichen einer hohen Produktzuverlässigkeit unter verschärften Betriebsbedingungen kommt während des gesamten Entwicklungs- und Fertigungsprozesses eine hohe Bedeutung zu. Voraussetzung hierfür ist die sichere Beherrschung des gesamten Fertigungsprozesses. Diese Anforderung stellt Unternehmen, die unerfahren im Umgang mit der Technologie sind, aber dennoch interessante MID-Anwendungsbereiche sehen, bisher vor erhebliche Schwierigkeiten. Sowohl die Stabilität der Prozesse als auch das Verständnis der Abhängigkeiten innerhalb der MID-Prozesskette gilt es unter diesen Rahmenbedingungen kritisch zu betrachten. Ferner spielt die Nachweisbarkeit der Produkteigenschaften und der Prozessstabilität eine entscheidende Rolle.
Ziel des eigenmittelfinanzierten Forschungsprojekts war die Identifikation zentraler Handlungsfelder und Hemmnisse im Rahmen der Zuverlässigkeit von MID-Baugruppen. Um eine hohe Praxisrelevanz zu gewährleisten, wurden Unternehmen entlang der gesamten MID-Prozesskette hinsichtlich der Zuverlässigkeit von MID-Produkten und Fertigungsprozessen interviewt. Es wurden Industriepartner befragt, die mit der Technologie MID vertraut sind oder zumindest die wesentlichen Aspekte der Technologie bewerten können.
Insgesamt wurden im Rahmen der Studie die fünf Handlungsfelder Technologie, Prüfmethoden, Prozess, Methodik, Richtlinien und Standards und Sonstiges identifiziert. Jedes Handlungsfeld besteht dabei aus mehreren Unterpunkten, die idealerweise in ein oder mehrere Forschungsprojekte überführt werden können. Das Handlungsfeld Technologie adressiert Bedarfe im Bereich der Einzelprozesse, wie dem Spritzguss, erläutert aber auch Defizite bei Substratmaterialien oder Schichtsystemen. Im Handlungsfeld Prüfmethoden werden explizite Verfahren angesprochen, die eine Möglichkeit zur Überprüfung der Produktzuverlässigkeit verbessern sollen. Viele Prozessfehler werden erst nach der Metallisierung erkannt, aus diesem Grund sind zusätzliche Prüfmethoden notwendig, insbesondere in den Prozessschritten vor der Metallisierung. Das Handlungsfeld Prozess adressiert darauf aufbauend die vernetzten Einzelprozesse und deren Auswirkungen auf die Baugruppe. Ein Fokus liegt hier auf der Ursache-Wirkungs-Beziehung der einzelnen Prozessschritte zueinander. Sind diese erkannt und dokumentiert, können transparente, verlässliche und durchgängige Parameter entlang der Prozesskette definiert werden. Das Handlungsfeld Methodik greift im weitesten Sinne den Bereich methodisches Entwickeln auf. Hierzu gehört, neben einer umfassenden, auf Lösungsmustern basierenden Entwicklungsmethodik, auch der Bereich Toolunterstützung im Entwicklungsprozess. Darüber hinaus werden Handlungsbedarfe in der Lehre an Hochschulen und in der Weiterbildung von Mitarbeitern angesprochen. Das Handlungsfeld Richtlinien und Standards adressiert auf der einen Seite Aktivitäten, bestehende Richtlinien zu adaptieren und zusammenzuführen sowie auf der anderen Seite Maßnahmen, um einen eigenen MID-Standard zu schaffen. Unter Sonstiges wurden abschließend Aspekte zusammengefasst, die der weiteren Marktdurchdringung der Technologie helfen könnten, jedoch nicht im direkten Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit der MID-Produkte stehen, wie beispielsweise die Vermarktung der Technologie über Leuchtturmprojekte. Bild 2 gibt einen Überblick über einige wichtige übergelagerte Forschungsaspekte der definierten Handlungsfelder.
Die Handlungsfelder wurden anschließend in verschiedene thematische Unterblöcke unterteilt und in eine Forschungsroadmap überführt. Im Rahmen dieser Forschungsroadmap sind dann, jeweils zum erwarteten Abschluss eines jeden Forschungsfelds, Resultate in Form von Meilensteinen definiert worden. Diese zeitlich verorteten Meilensteine wurden so bezeichnet, dass sie dabei die jeweiligen Schwerpunkte zu dem Zeitpunkt wiederspiegeln. Aufbauend auf den Handlungsfeldern und der daraus abgeleiteten Forschungsroadmap wurden dann Beispielprojekte definiert, deren Schwerpunkte sich jeweils auf konkrete Aspekte der Forschungsroadmap beziehen. Jedes Projekt wurde kurz beschrieben und ein potentielles Konsortium mit entsprechend benötigten Kompetenzen definiert.
Der Projektstart des von der Forschungsvereinigung 3-D MID e.V. mit Eigenmitteln finanzierten Vorhabens lag im Mai 2014. Durch die aktive Einbindung der Industrie über detaillierte Interviews ist eine hohe Praxisnähe sichergestellt worden. Die Erforschung der aufgezeigten Handlungsfelder wird der 3-D MID e.V. in den kommenden Jahren stärker fokussieren.
Kontakt:
Institut für Mikroaufbautechnik (HSG-IMAT)
Dr. Karl-Peter Fritz
Allmandring 9 B
D-70569 Stuttgart
Tel: +49 711 685-84792
Fax: +49 711 685-83705
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik
Christoph Jürgenhake, Christian Fechtelpeter
Zukunftsmeile 1
D-33102 Paderborn
Tel: +49 5251 5465-118 / 267
Fax: +49 5251 5465-102
