Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Schnelle und flexible Erzeugung von Leiterstrukturen zur Herstellung großflächiger mechatronischer Bauteile durch laserunterstützten Direkt-Druck

 

 

Bisher erschließen MID-Bauteile durch Funktionsintegration meist völlig neue Möglichkeiten für elektromechanische Verbindungselemente mit Dimensionen im Bereich von Millimetern bis einigen Zentimetern. Für größere Anwendungen mit Abmessungen einiger Dezimeter, beispielsweise für Karosserie- oder Verkleidungsapplikationen in der Automobil- oder Luft- und Raumfahrttechnik, gibt es derzeit kein effizientes Verfahren, um großflächige MID-Baugruppen zu fertigen. Das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Erzeugung von MIDs ist die Laserdirektstrukturierung (LDS). Nachteilig sind hierbei die Materialkosten, welche auf das erforderliche Additiv zur Laseraktivierung zurückzuführen sind. Folglich eignet sich LDS nicht für die wirtschaftliche Herstellung von großflächigen MID-Bauteilen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den laserunterstützten Direkt-Druck als robusten, effizienten, schnellen und flexiblen Prozess zur Herstellung großflächiger MID-Bauteile zu etablieren. Hierbei erfolgt ein optimierter Energieeintrag zur Versinterung der aufgedruckten Leiterbahnen lokal und wirkortgerecht mittels räumlich modulierter Laserstrahlung, um den Wärmeeintrag in den Grundkörper minimal zu halten und so sowohl Standardkunststoffe als auch transparente Kunststoffe verwenden zu können. Zusätzlich können durch die wirkungsortgerechte Funktionsintegration im Bauteil, Gewicht und Prozessschritte reduziert und dadurch die zunehmenden Forderungen nach Leichtbau und Minimierung von Kosten erfüllt werden. Im speziellen sollen KMU von den Forschungsergebnissen profitieren. Nach erfolgreichen Abschluss des Vorhabens können mit Hilfe des Verfahrens neue Anwendungen realisiert werden und somit neue Kunden und Märkte akquiriert werden. Hierbei können die KMUs nach den jeweiligen Kundenanforderungen das neue Verfahren bzw. damit gefertigte Produkte als Lösungsmöglichkeit für bestehende oder zukünftige Herausforderungen anbieten.

Ergebniszusammenfassung:

Zusammen mit dem Projektbegleitenden Ausschuss wurde die Verwendung von drei unterschiedlichen Substratmaterialien und drei verschieden Pasten- und Tintenwerkstoffen beschlossen. Für die Versuche wurden Glas als Referenzsubstratmaterial betrachtet, Hauptaugenmerk lag jedoch auf den temperaturempfindlichen Polymeren Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und einem Gemisch aus Polycarbonat und Acrylnitril-Butadien-Styrol (PC-ABS). Für die Druckversuche mit dem Dispenser wurden eine Silbermikropartikelpaste der Firma Henkel (WIK20487-36A) verwendete. Mit dem Aerosol-Jet Verfahren wurden die Silbernanopartikeltinte der Firma PARU PG-007 benutzt. Mittels Laserbestrahlung konnte auf Glas eine elektrische Leitfähigkeit relativ zu Bulk-Silber von 13 % erzielt werden. Auf ABS wurden 16 % und auf PC-ABS 23 % erreicht. Damit konnten die Ergebnisse der Ofensinterung welche zwischen 3 – 5 % lagen deutlich übertroffen werden. Vergleichbare Ergebnisse wurden mit der Silbernanopartikeltinte und Laserbestrahlung erzielt. Hier wurden auf Glas 21 % Leitfähigkeit erzielt sowie 34 % auf ABS und 38 % auf PC-ABS. Auch bei diesen Versuchen wurde die Leitfähigkeit, welche mit dem konventionellen Sinterprozess erreicht wurde und zwischen 11 % - 25 % lag noch übertroffen. Die Sinterdauer wurde hierbei von einer Stunde auf wenige Millisekunden reduziert. Rasterelektronenmikroskopaufnahmen (REM-Aufnahmen) photonisch gesinterter Proben zeigen im Vergleich zum Ofenprozess einen deutlich besseren Sintergrad. Die durchgeführten Haftfestigkeitsuntersuchungen mittels Gitterschnitt und Stirnabzugsversuche, zeigen Haftfestigkeiten zwischen 0 – 2 nach DIN EN ISO 2409. Anhand der thermischen Prozessanalyse konnten die Bestrahlungsparameter gezielt den thermischen Eigenschaften der Substratwerkstoffe angepasst werden.