Kunststoffteile mit integrierten Silberleitstrukturen via FDM-Druck

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Technische Hochschule Köln

Durch die integrierte Fertigung von elektrisch leitfähigen Strukturen während des FDM-Prozesses lassen sich elektrische Komponenten wie Antennen mit in Bauteile drucken – ohne nachgelagertem Sintern.

Die Problemstellung: Im Zuge der Industrie 4.0, des Internet of Things (IoT) sowie der neuen 5G-Mobilfunktechnologie steigt der Bedarf an smarter Elektronik. In Branchen wie der Automobilindustrie oder im Bereich der Unterhaltungselektronik nimmt der Einsatz von gedruckter Elektronik zu. Häufig stehen Hersteller solcher Bauteile jedoch vor Platzproblemen hinsichtlich der Kontaktierung oder Anbringung von Leiterplatten, da solche Bauteile tendenziell kleiner werden. Bauteile oder Bauteilgruppen mit integrierten elektrischen Schaltungen gewinnen dabei zunehmend an Bedeutung. Aktuelle Verfahren zur Herstellung von gedruckten Leiterstrukturen erfordern den Auftrag eines nicht leitfähigen Trägermaterials sowie von elektrischen Leiterbahnen.

So kommen 3D-Drucker zum Einsatz, welche entweder zwei Extruderdüsen besitzen oder die einzelnen Materialien in nacheinander ablaufenden Prozessen auftragen. Zur Erzeugung der elektrischen Leiterbahnen werden häufig elektrisch leitfähige Tinten oder Nanopartikelpasten verwendet. Eine Alternative zu diesen vergleichsweise teuren Flüssigkeiten bietet die Verwendung von Klebstoffen mit leitfähigen Mikropartikeln. Diese Klebstoffen erfordern jedoch in den meisten Fällen eine thermische Nachbehandlung durch einen separaten Prozessschritt, der Sinterung, um die Leitfähigkeit zu erhalten.

Kürzere und damit preiswertere Verfahren und Prozesse

Es lässt sich feststellen, dass bei den aktuell angewandten Verfahren nacheinander ablaufende Prozesse notwendig sind, die zusätzliche Kosten verursachen. Dafür sind weitere Prozessschritte und weitere Geräte und Anlagen notwendig. Von daher besteht hohes Potenzial an einem Verfahren zur Herstellung von integrierter Elektronik, bei dem die Prozessdauer sowie die -kosten signifikant reduziert werden können.

Hierfür hat ein interdisziplinäres Team der Technischen Hochschule Köln am Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik sowie am Institut für Nachrichtentechnik ein neuartiges Verfahren entwickelt. Damit ist das Einbringen von elektrisch leitfähigen Strukturen in den schichtweisen Aufbauprozess der additiven Fertigung möglich. Der Prozess basiert auf dem Fused Deposition Modeling Verfahren (FDM) sowie der Verwendung von leitfähigen Pasten, welche mit geringeren Anschaffungskosten verbunden sind.

Das FDM-Verfahren ist eines der meist genutzten Verfahren in der additiven Fertigung und ist hervorragend für die Klein- und Mittelserienfertigung geeignet. Bei dem entwickelten Verfahren wird die vom aufgetragenen Filament (aus der Düse des FDM- Druckers) abgestrahlte Wärme effektiv zur Aushärtung, d.h. zur Sinterung der elektrisch leitfähigen Paste verwendet. Dieses Verfahren vereint somit die additive Herstellung mit der Sinterung von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten wie z.B. von Silberleitklebstoffen.

Die leitfähigen Strukturen können auf der Oberfläche der Bauteile oder auch innerhalb der Bauteile angeordnet werden. Des Wei­teren können gewölbte oder unebene Bauteiloberflächen mit elektrisch leitfähigen Strukturen versehen werden.

Funktionsbeschreibung und FDM-Prozess

Bei allen FDM-Druckern wird das eingesetzte Material z.B. PLA, ABS im Extruder aufgeschmolzen. Durch die Extruderdüse wird es schichtweise auf einer Bauplattform aufgetragen und erzeugt dadurch das entsprechende Bauteil. Die Temperaturen der Extruderdüse liegen standardmäßig in einem Bereich von 150°C bis 250°C. Um eine Sinterwirkung durch das heiße Filament zu erhalten, wurden Untersuchungen des FDM-Prozesses mit einer Wärmebildkamera durchgeführt ( Bild 1). Dabei konnte bestätigt werden, dass das Filament noch über eine Strecke von einigen Millimetern eine ausreichende Temperatur besitzt.

Erste Versuche mit einem handelsüblichen FDM-Drucker, der durch ein Low-Cost-Dosiersystem ergänzt wurde, zeigen die Funktionsfähigkeit des Prozesses. Eine Kartusche wird hierbei mit Silberleitklebstoff gefüllt, dessen Silberpartikel eine Größe bis 50 µm aufweisen. Die Steuerung des Flüssigkeitsauftrags erfolgt über eine Druck-Zeit-Förderung. Der präzise Auftrag des Klebstoffes wird mithilfe einer Dosiernadel (Bild 1) sichergestellt und stellt somit ein berührendes Dosierverfahren dar.

Um ein Verstopfen der Silberpartikel am Ausgang der Dosiernadel zu verhindern, muss der max. Partikeldurchmesser mit einem Faktor multipliziert werden, welcher laut Literatur zwischen 7 und 10 liegt. Der genaue Wert ist abhängig von den Eigenschaften der verwendeten Flüssigkeit und wurde in einer Reihe von Versuchen bestimmt. Verwendet wird aktuell ein Nadeldurchmesser von ca. 0,4 mm, also ca. sieben Mal so hoch wie die max. Partikelgröße. Diese Vorgabe beeinflusst auch die Strukturauflösung des Verfahrens.

Bei Flüssigkeiten mit kleineren Partikeldurchmessern könnten auch kleinere Dosiernadeln zum Einsatz kommen, welches kleinere Strukturen ermöglicht. Durch das adaptierte Dosierventil kann ein idealer Flüssigkeitsauftrag in der Nähe der Extruderdüse des 3DDurckers sichergestellt werden.

Wie bereits erwähnt, wird bei diesem Verfahren die abgestrahlte Wärme des aufgeschmolzenen Filaments genutzt. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die Spitze der Dosiernadel so nah wie möglich an der Extruderdüse des FDM-Druckers anliegt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Klebstoff unmittelbar nach Verlassen der Dosiernadel gesintert wird. Eine Druckluft-Kühleinheit wird parallelgeschaltet, um ein verfrühtes Aushärten des Silberleitklebstoffs zu vermeiden.

Geometrische Anpassungen beeinflussen die Leitfähigkeit

Aufgrund der geometrischen Gegebenheiten des FDM-Druckers muss das Dosiersystem schräg zur Extruderachse angebracht werden. Die Halterungen für die Kartusche sowie für die Druckluft-Kühleinheit wurden mithilfe von CAD ausgelegt und mit dem FDM-Drucker hergestellt. Durch empirische Versuche wurde der ideale Abstand zwischen der Dosiernadel und der Extruderdüse von wenigen Millimetern ermittelt und eingestellt (Bild 2).

Bei zahlreichen Versuchen konnten verschiedenste leitfähige Strukturen erzeugt werden. Aktuelle Versuche zeigen, dass definierte geometrische sowie systemrelevante Anpassungen die Leitfähigkeit beeinflussen. Dabei kann z.B. durch geeignete Anordnung der einzelnen Schichten bzw. Bahnen ein nahezu gleichförmiger Leiterquerschnitt erreicht werden. Diese ist für den Einsatz entscheidend, um verschiedenste elektrische Bauteile zu kontaktieren.

Die derzeitig durchgeführten Untersuchungen werden mit einem handelsüblichen FDM-Drucker im unteren Preissegment durchgeführt. Aus diesem Grund liegt die aktuell untersuchte Schichthöhe bei ca. 0,3 mm. Die eingebrachten elektrischen Bahnen weisen ebenfalls einen Durchmesser in dieser Größenordnung auf. Zur Kontrolle werden alle erzeugten Leiterbahnen durch entsprechende Messtechnik untersucht und bewertet. Zur Kontaktierung werden während des FDM-Prozesses kleine Kupferplättchen eingelegt. (s. Bild 3).

Die Vorteile des neuen 3D-Verfahrens

Das hier beschriebene Dosiersystem ermöglicht einen schnellen, prozesssicheren sowie reproduzierbaren Auftrag einer leitfähigen Flüssigkeit, welche in den schichtweisen Aufbauprozess eines Kunststoffträgers integriert werden kann. Die Vorrichtung bietet aufgrund der Verwendung von elek­trisch leitfähigen Pasten mit größeren Füllstoffen eine kostengünstige Alternative zu den Prozessen, welche auf Nanopartikelpasten beruhen. Durch den integrierten Sinterprozess entfällt die Notwendigkeit einer thermischen Nachbehandlung.

Dadurch, dass mit dem Dosiersystem präzise dosiert werden kann, wird ein exakter Auftrag in der Nähe zur Wärmequelle sichergestellt. Insgesamt läuft der Sinterprozess innerhalb weniger Sekunden ab, wodurch der gesamte Herstellungsprozess signifikant verkürzt wird. Eine Erzeugung verschiedenster leitfähiger Strukturen im und auf dem Material ist möglich und ist zudem nicht auf ebene Flächen begrenzt.

Das Dosiersystem ermöglicht in Kombination mit einem FDM-Drucker eine unkomplizierte Herstellung komplexer, elektronischer Bauteilstrukturen wie Antennen und Leiterbahnen sowie deren Integration in elektrisch nichtleitende Trägerstrukturen oder Gehäuseteile.

Wärmebedingte irreversible Bauteilverformung eliminiert

Dadurch, dass der Sinterprozess nicht separat abläuft, ist die Entnahme des Bauteils während des Druckprozesses nicht notwendig. Hierdurch wird das Risiko einer wärmebedingten, irreversiblen Bauteilverformung eliminiert.

Auch werden Positionierabweichungen bei der Fixierung der Bauteile in unterschiedlichen Anlagen verhindert. Durch das Dosiersystem kann der FDM-Prozess für eine besonders rentable Klein- und Mittelserienfertigung gedruckter Elektronik eingesetzt werden. Damit sind auch kostengünstige und flexible Anpassungen von elektronischen Bauteilen möglich.

Ergebnisse des Projekts und Ausblick

Der verwendete Klebstoff besitzt laut Herstellerangaben einen spezifischen elektrischen Widerstand von 10-4 Ωcm, sofern dieser vollständig ausgehärtet ist. Da die Verfahrgeschwindigkeit während des Auftrags von Klebstoff nur 5 mm/s beträgt und gleichzeitig heißes Filament beim Überfahren der Silberleitstruktur aufgetragen wird, kann von einer vollständigen Sinterung ausgegangen werden. Bestätigt wird dies durch Messung des elektrischen Widerstands der in Bild 3 gezeigten Leiterstruktur.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 21/2020 (Download PDF)

Die darin integrierte Leiterbahn besitzt folgende Abmessungen: 50 mm x 0,8 mm x 0,3 mm (L x B x H). Dessen Widerstand liegt bei wenigen Ohm und ergibt einen spezifischen elektrischen Widerstand ähnlich der Angaben des Datenblatts. Es ist zu erkennen, dass die Leiterbahn gleichmäßig durch das gesamte Bauteil verläuft und vollständig eingebettet werden konnte.

In weiteren Untersuchungen werden Parameteroptimierungen vorgenommen, um reproduzierbare Ergebnisse von hoher Qualität zu erzeugen. Obwohl sich das verwendete System noch in der Entwurfsphase befindet, können bereits komplexere Bauteilgeometrien mit zusätzlichen elektrischen Funktionen wie beispielsweise RFID-Antennen oder ähnliche Sensorstrukturen zur Anwendung in der Hochfrequenztechnik hergestellt werden. Damit können die Anforderungen der Industrie 4.0 sowie der Bedarf an Anwendungen mit drahtlosen Funk­anbindungen erfüllt werden.

* Prof. Dr.-Ing. Stefan Grünwald und Prof. Dr.-Ing. Rainer Kronberger lehren Konstruktionstechnik und Hochfrequenztechnik an der Technischen Hochschule.

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