Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Fertigungsbegleitende Oberflächencharakterisierung zur Qualitäts- und Effizienzsteigerung bei der Herstellung komplexer kunststoffbasierter mechatronischer Baugruppen (FOQus)

Durch Spritzguss und anschließende 3D-Strukturierung hergestellte polymerbasierte 3D-Schaltungsträger finden weitverbreiteten Einsatz, z. B. in der Automobilindustrie, Medizin- und Kommunikationstechnik.

Mit zunehmenden Einsatzmöglichkeiten bekommt der Aspekt der Prozesssicherheit eine ständig steigende Bedeutung. Insbesondere müssen die zahlreichen Schnittstellen zwischen den einzelnen Prozessschritten beherrscht und wenn möglich dokumentierbar gestaltet werden. Relevant sind hierfür vor allem die für den jeweils nachfolgenden Prozessschritt relevanten Oberflächeneigenschaften. Diese werden üblicherweise qualitativ visuell und rein subjektiv durch den Anlagenbediener entsprechend seines Erfahrungshintergrundes beurteilt.

Im geplanten Vorhaben sollen inline-fähige Analysemethoden für entsprechende Problemstellungen erarbeitet werden, die eine Identifikation und Charakterisierung der Oberflächenzustände ermöglichen, eine Optimierung jedes einzelnen Prozessschritts erlauben und ein digitalisierbares Ergebnis liefern. Als entscheidende Voraussetzung werden die dafür nötigen grundlegenden Erkenntnisse zu Oberflächeneigenschaften und Wirkzusammenhängen bei der Laserdirektstrukturierung und der Metallisierung sowie Erkenntnisse zur Einsatzfähigkeit von Methoden für deren Charakterisierung erarbeitet.

Aufgrund des daraus resultierend grundlegend verbesserten Prozessverständnisses ergeben sich insbesondere für KMU, die üblicherweise keine tiefergehenden FuE-Aktivitäten durchführen können, jedoch stark an den relevanten Prozessen beteiligt sind, eine Erhöhung der Fertigungseffizienz sowie eine Einstiegserleichterung in eine zukunftsfähige Technologie. Anwender profitieren durch eine prozesssichere Beherrschung der Fertigungskette im Hinblick auf Bauteilqualität sowie Bauteilkosten. Für Systemanbieter von prozessintegrierbaren, digitalen Analysemethoden, welche oftmals den KMU zuordenbar sind, ergeben sich dementsprechend Möglichkeiten für einen Vielzahl neuer Produkte.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des Forschungsvorhabens FOQus war die Entwicklung einer Methodik zur fertigungsbegleitenden bzw. Inline-fähigen Oberflächencharakterisierung von komplexen Kunststoff-basierten mechatronischen Baugruppen sowie die Optimierung aller Prozessschritte bei deren Herstellung, um den Ausschuss möglichst zu minimieren.

Um diese Ziele zu erreichen, wurde ein umfassender Versuchsplan ausgearbeitet. Dieser beinhaltete entlang der Schrittfolge im Produktentwicklungsprozess die Wahl geeigneter Materialien (LCP Vectra E840i LDS und XANTAR LDS 3760) und im Rahmen der Fertigungsplanung deren Formgebung mittels Spritzguss, sowie die Laserdirektstrukturierung (LDS), nasschemische bzw. CO2-Schneestrahl-Reinigung und außenstromlose Metallisierung mit Cu/Ni/Au der spritzgegossenen Bauteile. Damit wird, bis auf die Bestückung, die gesamte Prozesskette für die Fertigung spritzgegossene Schaltungsträger (MID) abgedeckt. Durch die gezielte Variation der einzelnen Herstellungsparameter innerhalb des Ermessensspielraums fachlicher Expertise wurden Bauteile unterschiedlicher Oberflächengüte erzeugt, welche eingehend charakterisiert wurden, um Analyseergebnisse mit Prozessergebnissen korrelieren zu können. Die Erkenntnisse aus Prozess und Analyse ermöglichen es, Empfehlungen zur Herstellung defektfreier MID zu geben.

Parallel dazu wurden zerstörungsfreie Methoden betrachtet, die sich zudem automatisieren lassen und sich somit für fertigungsbegleitende Messungen besonders eignen. Je nach Art der Methode können damit spritzgegossene, strukturierte oder metallisierte Proben In-line vermessen und direkt analysiert werden, um die gemäß Versuchsplan gezielt gefertigten schlechten Bauteile objektiv von guten unterscheiden zu können. Diese Untersuchungen legen damit den Grundstein für die direkte Implementierung solcher Inline-fähigen Messmethoden zur Fertigungsbegleitung von kunststoffbasierten mechatronischen Baugruppen z.B. in Spritzgussanlagen oder der Metallisierungslinie.