Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Additive Fertigung, Laserdirektstrukturierung und chemische Metallisierung von Duroplasten: Material- und Prozessentwicklung (FLaeDle)

Die Möglichkeiten der additiven Fertigung werden gern für die Herstellung individueller Produkte verwendet, begünstigt durch die kostengünstige Herstellung und die Geometriefreiheit. Zunehmend werden mit den verschiedenen Verfahren der additiven Fertigung auch Prototypen für industrielle Anwendungen hergestellt. Die Ansprüche entwickeln sich jedoch von Prototypen hin zu Funktionsmustern, so dass eine Integration elektrischer oder mechanischer Komponenten erforderlich ist. Es gibt Ansätze zur Integration von Leiterbahnen, wie den ProtoPaint LDS-Lack der Fa. LPKF Laser & Electronics AG. Dieser erfordert jedoch einen sehr gleichmäßigen Lackauftrag und hat einen negativen Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Bauteile hinsichtlich thermomechanischer Eigenschaften.

Angelehnt an die laserdirektstrukturierbaren Thermoplaste, welche im Spritzguss verarbeitet werden können, soll im geplanten Projekt ein Duroplastmaterial entwickelt werden, welches mit Verfahren der additiven Fertigung verarbeitet werden kann. Im Rahmen des Projektes soll das Digital Light Processing (DLP) zum Aufbau von 3D-Körpern eingesetzt werden. Daher bildet ein UV-härtbares Harz die Grundlage, welches mit laseraktivierbaren Additiven versetzt werden soll. Um das thermomechanische Verhalten des Grundkörpers den Eigenschaften der Leiterbahnen anzupassen, ist vorgesehen mit Füllmaterialien zu arbeiten. Nach dem Aufbau der Grundkörper werden diese mittels Laser strukturiert und dabei das Additiv aktiviert. Bei einer anschließenden Metallisierung laufen die Reaktionen nur in den strukturierten Bereichen ab, so dass eine selektive Metallisierung erreicht wird.

Mit diesem Vorgehen wird es möglich ohne zusätzliche Prozessschritte zu funktionalen Prototypen zu gelangen. Dies ist für Industrieuntern., insbesondere für KMU attraktiv, da durch eine einfache Prozesskette kostengünstige und individuelle Funktionsmuster erstellt werden können, die bspw. zur Erschließung neuer Geschäftsfelder eingesetzt werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Das Projektziel war es, einen hochgefüllten Werkstoff zu erarbeiten, der mit dem additiven Fertigungsverfahren digital light processing verarbeitbar ist und der es ermöglicht, derart hergestellte Bauteile über eine anschließende Laserbearbeitung und nasschemische Metallisierung zu mechatronischen Bauteilen weiter zu verarbeiten. Hierbei ist ein thermischer Ausdehnungskoeffizient möglichst nahe an dem von Kupfer (16 ppm/K) anzustreben. Diese Eigenschaft wurde für die Harzmischung mit dem gewählten Füllstoff Aluminiumoxid bei einem Füllgrad von etwa 50 Vol% erreicht. Durch den hohen Füllgrad war die Weiterverarbeitung zu einem mechatronischen System nicht mehr zuverlässig möglich. Nichtsdestotrotz konnte gezeigt werden, dass das gleiche Materialsystem mit niedrigeren Füllgraden über die gesamte Prozesskette verarbeitbar ist. Auch wenn dies nicht das Ziel des Projekts war, zeigt es doch eine Möglichkeit, derartige Systeme für Anwendungen mit niedrigeren Anforderungen additiv zu fertigen.

Die letzte Sitzung des Projektbegleitenden Ausschusses zeigte, dass aus der Wirtschaft weiterhin Interesse an einem Material mit den hier angestrebten Eigenschaften wünschenswert wäre. Tatsächlich wurde parallel zur Projektlaufzeit durch eine deutsche Forschungseinrichtung ein Patent eingereicht, das ein selektiv metallisierbares Material für das additive Fertigungsverfahren digital light processing beschreibt. Das Patent gilt für ungefüllte Materialien, was einerseits vermuten lässt, dass dort ähnliche Probleme in der Entwicklung aufgetaucht sind. Andererseits zeigt sich auch hierin deutlich die Relevanz des Themas. Die Verwertbarkeit eines gefüllten Materials wäre, wie zuvor beschrieben, aufgrund der verbesserten Materialeigenschaften für den Einsatz in Produkten noch einmal ungleich höher. Einen ersten Schritt in diese Richtung geht das hier vorgestellte Material mit Füllgraden bis etwa 20 Vol%.