Rückblick: 1. Praxisforum 3D-gedruckte Elektronik

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3D-MID, Multimaterialdruck, keramischer 3D-Druck: Die gedruckte Elektronik ist in der 3. Dimension angekommen. Am 28. September informierten sich 70 Teilnehmer über den aktuellen Stand der Technik, die Verschiedenen Verfahren sowie deren Anwendungsfelder.

Steigende Produktvielfalt bei sinkenden Losgrößen erfordert einen akuten Forschungsbedarf an zukunftssichernden Fertigungsstrategien. Functional Printing bietet hier einige Prozessvorteile, um intelligente Produkte mit integrierter Erfassung, Verarbeitung und Kommunikation von Daten herzustellen bei gleichzeitig effizientem Einsatz von hochwertigen Funktionswerkstoffen.

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Dr. Ingo Wirth vom Fraunhofer IFAM eröffnete mit seiner Keynote die Veranstaltung und gab in seinem Vortrag einen umfassenden Überblick über die Werkstoffe und Prozesse zur Funktionalisierung von Bauteilen. Neben den Vorteilen additiver Verfahren, wie hohe Gestaltungsfreiheit, schnelle Produktentwicklung oder geringerer Materialverbrauch, ging er auch auf die Entwicklung und Herstellung und Optimierung der verdruckbaren Tinten und Pasten ein. Applikationsbeispiele, wie die Integration von Sensoren oder die individuelle Funktionalisierung seriennaher Bauteile, verdeutlichten die Ansätze zur Überführung in industrielle Anwendungen.

Kleinserien und individualisierte Produkte unter Massenproduktionsbedingungen herzustellen, verlangt nach neuen Fertigungsstrategien. Um den bestehenden Forschungs- und Entwicklungsbedarf zu begegnen, wurde das Fraunhofer-Leitprojekt „Go Beyond 4.0“ gestartet. Dieses wurde von Dr. Martina Vogel vom Fraunhofer ENAS (Projektführer) vorgestellt. Im Rahmen des Projekts werden hybride Prozessketten geschaffen – durch ein Upgrade bestehender Produktlinien für die Massenfertigung mit digitalen Produktionsprozessen – und so die Fertigung individualisierter Produkte unter Beibehaltung der Herstellungseffizienz der Massenfertigung möglich. Auch werden zuverlässige Richtlinien für die Prozesse entwickelt. Dr. Vogel stellte Beispiele aus der Automobil-, Luftfahrt- und Beleuchtungsindustrie vor, die in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie entwickelt wurden.

Als Antwort auf die zunehmende Miniaturisierung nannte Manuel Martin, Beta LAYOUT, so genannte 3D-MID (Mechatronic Integrated Devices) vor, also Kunststoffbauteile die mit Leiterbahnen und elektronischen Schaltungen funktionalisiert werden. Diese ermöglichen Einsparungen bei Größe und Gewicht und eignen sich hauptsächlich für die Prototypenerstellung. Ein Beispiel sind Antennen in Smartphones die direkt auf der Innenseite des Gehäuses aufgebracht werden – das Layout der Antenne kann einfach nach Bedarf angepasst werden.

Udi Zamwel präsentierte den von Nano Dimension entwickelten 3D-Drucker Dragonfly. Dieser basiert auf dem Inkjet-Verfahren und ermöglicht die generative Fertigung von Multilayer-Leiterplatten, beispielsweise mit integrierten Vias, in einem Gerät. Möglich wird dies durch die Kombination von hochleitfähigen Silber-Nanopartikeln sowie einem Polymer. So können funktionsfähige Prototypen in nur Stunden anstatt Wochen hergestellt und die Produkteinführungszeit entsprechend verkürzt werden. Neben starren Leiterplatten eignet sich das Verfahren auch zur Herstellung flexibler Leiterplatten sowie zur Herstellung von 3D-Objekten (mit integrierten elektronischen Komponenten).

Hanno Platz, GED Gesellschaft für Elektronik und Design und Initiator des FED-Arbeitskreises 3D-Elektronik, nutzt generative Verfahren um Freiformelektronik zu realisieren. Dazu verwendet er den Multimaterialdrucker Voxel8 eines Start-Ups aus Amerika. Dieser kombiniert die Verfahren FDM (Kunststoff) und Dispensen (leitfähige Tinte) um hochaufgelöste 3D-Elektronikbauteile zu drucken. Anhand eines Funktionsbeispiels zeigte er die Integration von Anschlüsse, Leiterbahnen oder vergrabene Leiterbahnen in einem Bauteil. Der 3D-Drucker von Voxel8 wurde vor Ort ausgestellt und die Teilnehmer konnten sich bei einer Live-Vorführung ein Bild vom Druckprozess machen.

Johannes Hörber betrachtete in seinem Vortrag einen zusätzlichen Aspekt, nämlich die Herstellung 3D-gedruckter Elektronik mit mehrachsigen Fertigungssystemen. Ein Vorteil des Verfahrens von Neotech AMT liegt darin, dass in Abhängigkeit von dem zu erstellenden Bauteil oder dem verwendeten Material zwischen verschiedenen Druckverfahren gewählt werden kann. Weiterer Vorteil des Mehr-Achs-Verfahrens: Strukturen wie Überhänge können ohne Stützstrukturen gefertigt werden, da das Bauteil während dem Prozess gedreht werden kann.

Christoph Jürgenhake vom Fraunhofer IEM griff in seinem Vortrag noch einmal das Thema 3D-MID in Kombination mit etablierten AM-Fertigungsmethoden auf. Anhand des Projekts itsowl-TT-ChAnge, bei dem es um die Charakterisierung und Analyse der Einsatzmöglichkeiten von generativ erzeugten MID-Applikationen im Maschinen- und Anlagenbau geht, verdeutlichte er, wie viele einzelne Verfahren 3D-MID beinhaltet und wie wichtig dabei ein tiefgreifendes Verständnis der Materialeigenschaften und der Prozesskette selbst ist. Unterberücksichtigung verschiedener Randbedingungen sind reproduzierbare Prozesse möglich. Mit dem gezeigten Ansatz können schnell und kostengünstig funktionale Bauteile (nicht nur Prototypen) erzeugt werden. Die Technologie ist skalierbar und auch für größere Serienanwendungen einsetzbar – gerade dort, wo andere Verfahren aufgrund hoher Werkzeugkosten nicht wirtschaftlich sind.

Abschließend beleuchtete Dr. Tassilo Moritz, Fraunhofer IKTS, die generative Fertigung keramischer Bauteile. Im Vergleich zu anderen additiven Verfahren steckt der keramische 3D-Druck allerdings noch in den Kinderschuhen, eröffnet aber Möglichkeiten in Hinblick auf Designfreiheit, Ressourcenschonung und Fertigungseffizienz – insbesondere bei Kleinserien. Je nach angewendeten Druckverfahren (3D-Binder Jetting, Selective Laser Sintering, Thermoplastic 3D-Printing, Fused Filament Fabrication oder Lithography-based Ceramic Manufacturing, LCM) ist auch hier ein Multimaterial-Druck möglich. So können beispielsweise Edelstahl und Keramik in einem Prozess verarbeitet werden. Der Nachteil ist jedoch, dass die keramischen Komponenten immer thermisch prozessiert werden müssen. Beim Multi-Materialdruck müssen also alle Komponenten den Sinterprozess gemeinsam überstehen. Am Beispiel von Mikroreaktoren zeigte Dr. Moritz auf, welche neuartigen Geometrien durch das LCM-Verfahren möglich werden. Durch die zusätzliche Metallisierung der AM-Komponente mit Aerosoldruck werden die komplexen Bauteile funktionalisiert.

Als Fazit lässt sich sagen: Auch wenn es die 3D-gedruckte Elektronik ihr Nischen gefunden hat, gibt noch viel Forschungsbedarf, um die Verfahren in der industriellen Fertigung einsetzten zu können. Wir halten sie auf dem Laufenden, wie es mit der 3D-gedruckten Elektronik weiter geht. Und auch der Termin für das 2. Praxisforum 3D-geruckte Elektronik steht fest: Kommen Sie und diskutieren sie mit, am 26. September 2018 in Würzburg.

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