Additive Fertigung in der Elektronik Elektronikgehäuse und Leiterplatten aus dem 3D-Drucker

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Beta LAYOUT GmbH

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Prototypen von Elektronikgehäusen und Leiterplatten schneller und mit weniger Abfall entwickeln: Durch den 3D-Druck lässt sich der Entwicklungsprozess beschleunigen und verbessern. Das reicht von flexiblen Fertigungsmöglichkeiten bis hin zu verkürzten Entwicklungszeiten.

Der Einsatz additiver Fertigungstechniken beschleunigt Entwicklungs- und Produktionsprozesse in der Elektronik erheblich. Besonders attraktiv ist die Möglichkeit, verschiedene Materialien in einem Druckvorgang zu kombinieren. Da sich der 3D-Druck zunehmend einfacher anwenden lässt, verkürzt sich die Zeit für das Prototyping spürbar. Insgesamt reduzieren additive Technologien Vorlaufzeiten, Kosten und Fehlerquoten in der Produktion.

Der 3D-Druck wird die Lieferketten für elektronische Bauteile verändern, insbesondere in Kombination mit der On-Demand-Produktion. Im Zentrum der Entwicklung stehen digitale Produktionsplattformen wie Xometry Europe. Auf diesem digitalen Marktplatz werden Aufträge für die Herstellung von Bauteilen innerhalb kürzester Zeit an geeignete Produzenten vermittelt. Dabei können die Entwickler aus Hunderten von Materialien und Dutzenden von Technologien wählen. Das ermöglicht die Herstellung von elektronischen Bauteilen mit festen Lieferzeiten und begrenzter Kostenstruktur. Die Hersteller können so direkt auf Kundenanfragen reagieren.

Elektronikgehäuse und Leiterplatten mit 3D-Druck

Die Möglichkeiten für mehr Innovationen durch den 3D-Druck zeigen sich bereits bei der Entwicklung. Entwickler haben viel mehr Freiraum für neue Ideen und müssen nicht mehr auf immer gleiche Hardware-Designs zurückgreifen. So eignen sich SLS (Selektives Lasersintern) und MJF (Multi Jet Fusion) selbst für komplexe Konstruktionen und auch für die Serienproduktion. Im Vergleich zu konventionellen Verfahren lassen sich mit der additiven Fertigung wesentlich schneller größere Stückzahlen von Elektronikgehäusen, Leiterplatten und anderen Bauteilen herstellen.

Mit dem 3D-Druck für Solarmodule beispielsweise können Entwickler konventionelle Regeln brechen. Das gilt nicht nur für die äußere Struktur, sondern auch für die inneren Schaltungen. Die Leistung der Bauteile wird verbessert, Größe und Gewicht werden reduziert und gleichzeitig können komplexe und präzise Geometrien realisiert werden.

Eingebaute Schaltung zusammen mit dem Bauteil drucken

Ein 3D-Modell wird komplett am Computer generiert und gedruckt, es bleibt also nur ein geringer Spielraum für Fehler. In den herkömmlichen Produktionsverfahren wird die Schaltung erst in einem späteren Stadium hinzugefügt. Bei der additiven Herstellung hingegen druckt man die eingebaute Schaltung bereits zusammen mit dem Bauteil. Sie ist also eingekapselt, was sie vor äußeren Schäden schützt. So lässt sich etwa die kleine Antenne eines Mobiltelefons direkt in das Telefon drucken.

Anders als bei herkömmlichen Methoden können Leiterplatten zudem auf nicht flache Oberflächen gedruckt werden. So lässt sich Elektronik in Wearables, Sensoren auf flexiblen Oberflächen, Zuckerteststreifen, Prothesen oder anpassbare Batterien einbetten. Solche maßgeschneiderten Geräte und gedruckten Batterien können herkömmliche Geräte übertreffen. Schließlich sind bei ihnen Form und Größe an ein bestimmtes Produkt und eine bestimmte Funktion angepasst und die Leistung damit optimiert.

Prototypenentwicklung mit verschiedenen Verfahren

Die additive Fertigung eignet sich besonders für die schnelle und flexible Herstellung von Prototypen. Eine kostengünstige Möglichkeit bietet das Multi-Jet-Fusion- (MJF-)Verfahren, das daher häufig bevorzugt wird. Noch zugänglicher ist das Fused Deposition Modeling (FDM), das als preiswertestes Verfahren für das Prototyping gilt. Es lässt sich einfach handhaben, das Druckmaterial ist günstig, und der gesamte Prozess ist im Vergleich zu konventionellen Methoden kosteneffizienter. Dadurch können Neugestaltung und Analyse in kürzerer Zeit erfolgen.

Plattformen wie Xometry nutzen Algorithmen und künstliche Intelligenz, um Auftraggeber und Hersteller effizient zu vernetzen. Diese automatisierten Prozesse ermöglichen eine rasche Abwicklung und verkürzen die Innovationszyklen erheblich.

Für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Präzision und Oberflächenqualität bieten sich Verfahren wie die Stereolithographie (SLA) oder Carbon DLS (Digital Light Synthesis) an. Diese Druckverfahren verarbeiten flüssige Kunststoffe, die sich durch eine exzellente Oberflächenqualität, hohe Flexibilität und Wasserbeständigkeit auszeichnen – Eigenschaften, die sie besonders für moderne Elektronikanwendungen wertvoll machen. Zudem sind sie ideal für hochauflösende Prototypen und Funktionsmuster, bei denen enge Toleranzen entscheidend sind.

Weniger Abfall durch 3D-Druck

Elektronische Produkte, wie gedruckte Schaltungen, hängen im Wesentlichen von zwei Arten von Materialien ab: einem isolierenden dielektrischen Substrat und leitfähigen Elementen. Neuere Polymermaterialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante und halbleitende Polymermaterialien, beide mit einstellbaren elektronischen Eigenschaften, werden derzeit für den Druck angepasst. Solche Materialien bieten zusammen mit dem 3D-Druck bessere Möglichkeiten für Design und Entwicklung.

Ein großer Vorteil des 3D-Drucks ist, dass im Vergleich zu konventionellen Verfahren weniger Abfall anfällt. In der Elektronik entfallen durch den 3D-Druck zusätzliche Verdrahtungen und Schaltungen. Außerdem werden bei der gedruckten Elektronik mehrere Arbeitsschritte auf einen einzigen reduziert. Das vereinfacht auch die Montage. Überschüssiges Material wird konventionell meist durch Ätzen mit schädlichen Chemikalien entfernt. Auch dies entfällt bei der additiven Fertigung, da die Folie ohne weitere Schritte direkt an Ort und Stelle platziert wird. (heh)

Miniaturisierung neu gedacht

3D-MID Leiterplatten: Zukunftsvision oder Realität?

* Niko Mroncz ist Head of Sales Engineering bei Xometry Europe.

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