Solarzellen aus dem Drucker
Elektronische Bauteile und Sensoren einfach ausdrucken? Forscher am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung haben Drucktechnologien entwickelt, die gedruckte Elektronik möglich macht. Ein weiterer Meilenstein für die Industrie 4.0.
In naher Zukunft wird alles aus dem Drucker kommen: Digitalthermometer mit elektronischen Schaltkreisen über Solarzellen von der Rolle bis hin zu intelligenten Verpackungen mit eingebauten Sensoren.
Innerhalb von wenigen Sekunden werden winzige Widerstände, Transistoren, Leiterbahnen und Kondensatoren direkt auf Platinen gedruckt. Um flache und dreidimensionale Bauteile automatisiert herstellen zu können, wurde eine robotergestützte Fertigungsstraße entwickelt.
Robotergestützte Fertigungsstraße kombiniert mehrere Druckverfahren
Sieb-, Inkjet-, Dispens- und Aerosol-Jet-Druck sind modular in der Produktionseinheit integriert. Die Fertigungsstraße mit zentraler Robotereinheit, Bauteilzuführung, Drucksystemen und Wärmebehandlungsöfen macht es möglich, Oberflächen seriennah zu bedrucken.
Mit dem Aerosol-Jet-Verfahren können feinste Strukturen mit Breiten von nur 10 Mikrometern kontaktfrei auf das Bauteil aufgebracht werden. Dabei wird die leitfähige Tinte pneumatisch zerstäubt und das entstehende Aerosol über einen Schlauch zum Druckkopf geführt. Sogar gekrümmte Oberflächen lassen sich bedrucken.
„Eine Platine kann beispielsweise nicht nur mit Schaltkreisen, sondern auch gleich mit einer Schicht, die sie vor Korrosion schützt, ausgestattet werden“, sagt Dr. Volker Zöllmer, Abteilungsleiter am IFAM.
Wie funktioniert ein Druckvorgang im Detail?
In der Steuerungssoftware werden je nach gewünschtem Endprodukt die Reihenfolge und Art der Drucker festgelegt. Die Platine wird zur ersten Druckstation befördert, die die 200 Mikrometer breiten Leiterbahnen mit einem Piezoantrieb-Dosiersystem integriert.
Über ein Ventil lassen sich das Volumen und die Tropfengröße der elektrisch leitfähigen Klebstoffe exakt dosieren. Sensoren werden durch Aerosoldrucker aufgedruckt.
Abschließend erfolgt eine thermische Nachbehandlung im Ofen, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Die bedruckbaren Substrate können die Größe eines DIN-A3-Blatts haben, die Höhe der Bauteile kann mehrere Zentimeter betragen.
Anstelle von Druckfarben werden elektronische Materialien in flüssiger und pastöser Form genutzt.
Bei der Wahl der zu be- und verdruckenden Materialien sind kaum Grenzen gesetzt: Metalle, Keramiken, elektrisch leitfähige Polymere, aber auch Biomaterialien wie Proteine und Enzyme können verwendet werden.
Je nach Anforderung, können diese Materialien auf Glas, Textilien, Metalle, keramische Platten und viele andere Werkstoffe gedruckt werden.
»Mit der neuen Fertigungsstraße können wir verschiedenste Materialien kombinieren und Produkte nach Kundenwunsch fertigen. Im Prinzip erhalten Bauteile völlig neue Funktionen – so kann eine Glasscheibe mit integriertem Temperatursensor Wärme messen. Gedruckte Sensorik eignet sich auch zur Bauteilüberwachung, um frühzeitig Risse und Schädigungen zu erkennen. Zum Beispiel können aerosolgedruckte Dehnungsmessstreifen auf einer Aluminiumoberfläche rechtzeitig auf Materialermüdungen in Karosseriebauteilen hinweisen«,erläutert Zöllmer.
Ein weiterer Meilenstein für die Industrie 4.0
Von den kurzen Entwicklungszeiten werden viele Branchen profitieren. Vor allem die Automobil- und Luftfahrtbranche, aber auch die Mikrosystemtechnik.
»Wir können die Industrie bei der Produktentwicklung unterstützen, Klein- und Nullserien lassen sich mit der Fertigungsstraße herstellen«, sagt Zöllmer. Dabei hat der Kunde auch die Möglichkeit, die modulare Fertigungsstraße mit eigenen Prozessen zu erweitern.
