Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Werkzeuglose Fertigung von funktionalisierten 3D-Kunststoffbauteilen durch die Kombination von generativen Verfahren und laserbasierter selektiver Metallisierung

Generative Verfahren sind als werkzeuglose Verfahren bei kleinen Stückzahlen bis hin zur Losgröße eins wirtschaftlich. Für kunststoffbasierte mechatronische Baugruppen besteht jedoch neben der Anforderung zur Fertigung des geometrischen 3D-Bauteils die Anforderung zur Integration von Leiterstrukturen auf der 3D-Bauteiloberfläche. Vorhandene Verfahren werden derzeit nur für Anschauungsmuster eingesetzt und benötigen zudem einen zusätzlichen Lackierprozesses, bei dem die Homogenität des Lackauftrags stark von der Topographie des 3D-Bauteils abhängig ist. Weiterhin werden die Eigenschaften des Bauteils wie z.B. die Temperaturbeständigkeit oder das thermomechanische Verhalten durch den zusätzlich aufgebrachten Lack negativ beeinflusst.

Im geplanten Projekt soll ein laserbasiertes Verfahren zur selektiven Metallisierung von generativ gefertigten 3D-Kunststoffbauteilen ohne zusätzliche permanente Be-schichtungen erarbeitet werden. Der Aufbau der 3D-Kunststoffbauteile erfolgt mit DLP (Digital Light Processing), wo mittels eines Mikrospiegelarrays ein flüssiges UV-lichtsensitives Harz schichtweise ausgehärtet wird. Dabei werden Harzformulierungen mit Füllstoffen eingesetzt, die im Vergleich zu ungefüllten Systemen eine erhöhte Temperaturbeständigkeit und verbessertes thermomechanisches Verhalten aufzeigen. Für die Aktivierung vor der außenstromlosen Metallisierung wird ein Aktivator auf der Basis von stabilisierten Pd-Kolloiden mit definierter Partikelgröße sowie ein bindemittelhaltiges Aktivatorsystem erarbeitet und charakterisiert. Die erarbeiteten Verfahren sollen an Hand eines praxisnahen 3D-Technologiedemonstrators verifiziert werden.

Die Ergebnisse ermöglichen insbesondere KMU aus verschiedensten Branchen eine Erweiterung bestehender und die Erschließung zusätzlicher Geschäftsfelder abseits der etablierten Bereiche Leiterplatten- und Spritzgießtechnologie. Die gesamte Wertschöpfungskette ist im projektbegleitenden Ausschuss mit hohem Anteil an KMU abgebildet.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurden verschiedene Prozessketten untersucht, um über einen Laserstrukturierungsprozess mit anschließender außenstromloser, nasschemischer Metallisierung einen additiv gefertigten Kunststoffkörper selektiv mit einer Metallschicht zu versehen. Die Ergebnisse zeigen, dass dieses Vorgehen grundsätzlich möglich ist. Der gezeigte Lösungsansatz wurde auf Substrate übertragen, die vom PBA gestellt wurden. Dies zeigt, dass das Verfahren weder auf einen speziellen Substratwerkstoff, noch auf ein bestimmtes additives Fertigungsverfahren beschränkt ist.

Für die Industrie sind Anwendungsmöglichkeiten sowohl im Bereich technischer Bauteile, wie dreidimensionalen Schaltungsträgern, als auch von Designbauteilen, wie Schmuck o.ä., denkbar. Insbesondere individualisierte Bauteile bzw. Kleinserien können durch den Einsatz der additiven Fertigung wirtschaftlich aufgebaut werden.