Additive Fertigungsverfahren für Elektronik Massentaugliche Einsatzgebiete und vielversprechende Verfahren

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Der FED-Arbeitskreises 3D-Elektronik hat fünf Klassen der Elektronikintegration mit additiven Fertigungsverfahren definiert. Ein Whitepaper soll Herstellern und Anwendern bei der Auswahl und Zuordnung der neuen, umfangreichen Möglichkeiten der 3D-Elektronikkonzepte helfen. Zudem benennen die 3D-Experten im FED die zukünftigen Arbeitsfelder: zweckmäßige eCAD-Tools und Datenformate mit der mechanischen Form und elektrischen Information.

Additive Fertigungsverfahren sind aus der Fertigung von mechanischen Einzelteilen für Muster und Reparaturen oder Modell- und Designstudien in Maschinenbau, Autobau, Luft- und Raumfahrt und Medizintechnik (Prothetik) nicht mehr wegzudenken. Auch in der klassischen Elektronik und Elektronikfertigung gibt es erste massentaugliche Einsatzgebiete und vielversprechende Verfahren und Drucksysteme. Substrate für Elektronik sind häufig Multimaterialsysteme aus leitenden und nichtleitendenden Komponenten.

„Vor allem für 3D-Elektronikkonzepte gewinnen die additiven Fertigungsverfahren immer mehr an Bedeutung“, betont Hanno Platz, Leiter des FED-Arbeitskreises 3D-Elektronik. Neue 3D-Duckverfahren ermöglichen durch die multihybride werkzeuglose Fertigung eine heterogene und funktionale Integration. So lassen sich mehrdimensionale Baukörper und Schaltungsträger mit integrierten Sensoren, Aktoren, elektrooptischen oder bionischen Eigenschaften realisieren, ohne dass ein Trägersubstrat oder eine Leiterplatte benötigt wird.

Fertigungsverfahren sinnvoll klassifizieren

Parallel gibt es rasante Fortschritte in der Materialentwicklung. Nanomaterialien und die Kombination verschiedener Materialien im Druckprozess ermöglichen neue, weiterführende Eigenschaften. Als zusätzlicher positiver Effekt, können in weiteren Produktionsprozessen Material-, Energie- und Transportkosten eingespart werden.

Bei der Vielzahl der Verfahren und Anwendungen erscheint es sinnvoll, die Methoden aus dem Blickwinkel der Produktherstellung zu klassifizieren. Diese Einteilung hat der FED-Arbeitskreis 3D-Elektronik erarbeitet und fünf Klassen der Elektronikintegration mit additiven Fertigungsverfahren definiert. Die Klassifizierung soll ein Ordnungsmodell für die verschiedenen Facetten der teil- oder volladditiv gefertigten 3D-Elektronik ermöglichen.

„Die Klassen unterscheiden sich im verwendeten oder nicht vorhanden Trägermaterial und 3D-Druck und in Klasse 5 haben wir die sogenannte 4D-Technologie aufgenommen“, berichtet Hanno Platz. 4D-Technologie meint Körper, die beispielsweise durch Anlegen von Spannung ihre Form ändern. Die Klassen bauen aufeinander auf und mit jeder Klasse steigen die Anforderungen an Komplexität und Handling sowie Drucktechnik und Präzision.

Additive Fertigung schafft neue Produkte

Die Klassifizierung für additive Fertigungsprozesse für Elektronik soll Herstellern und Anwendern helfen, eine einfache und sichere Auswahl und Zuordnung der neuen und umfangreichen Möglichkeiten der 3D-Elektronikkonzepte zu finden. Das schafft bei den Partnern gleiche Voraussetzungen für die Diskussion und senkt beim Anwender die Einstiegsschwelle für die neuen Technologien. Zudem lotet das Dokument die Chancen und das disruptive Marktpotenzial der additiven Fertigungsverfahren aus.

Mit additiven Fertigungsverfahren können neue Produkte geschaffen und bestehende Produkte durch die Integration von Funktionen und Komponenten verbessert werden, die auf herkömmlichem Weg nicht realisierbar wären: Sensoren, Antennen, gedruckte 3D-Schaltkreise, Wearables, medizinische Geräte, Roboter und elektronischen Baugruppen für die Luft- und Raumfahrt.

Ein weiteres Ziel der Klassifizierung ist es, aus der Komplexität der jeweiligen Klasse hinzuweisen und abzuleiten, welche Tools und Datenformate für die Umsetzung des jeweiligen Projektes nötig sind. „Ein universelles Datenformat für die Beschreibung der mechanischen Form, der elektronischen Informationen und der eingesetzten Bauteile gibt es noch nicht, sagt der FED. Für die neuen Entwurfsparadigmen, müssen die eCAD-Entwurfswerkzeuge und Datenformate noch deutlich weiterentwickelt werden.

Das Problem der zunehmenden Komplexität

Der Blick in die Klassifizierung zeigt, dass sich für Anwendungen der Basisklasse 1, ein 2D-Träger und Druck mit additiv aufgebrachten Funktionsschichten, die bisherigen eCAD-Datenformate eignen. Klasse 2-Systeme, mehrdimensionale Träger und Druck mit additiv aufgebrachten Funktionsschichten, sind genau zu analysieren. Hier gilt es abzuwägen, welches Datenformat sinnvoll eingesetzt werden kann.

Ab Klasse 3, gedruckter mehrdimensionaler Träger mit additiv aufgebrachten Funktionsschichten, reichen die bisher bekannten eCAD-Formate nicht mehr aus. Mit zunehmender Komplexität ist es zudem notwendig, entsprechende Prüfungen für die elektrischen, mechanischen oder optischen Funktionen festzulegen und ein Zwischenergebnis „In-situ“ zu ermitteln, oder den Stand zu verifizieren.

„Derzeit bleibt die Frage offen, ob es möglich ist, einen eCAD-Datensatz mit entsprechender mechanischer Funktionalität zu erweitern oder umgekehrt“, sagen die 3D-Experten im FED. Dafür sei es nötig, dass sich beide Tool-Welten aufeinander zubewegen.

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