Abschlussbericht für das Teilvorhaben: Materialentwicklung für die Additive Fertigung von robuster integrierter Elektronik, im Verbundvorhaben: AMPERE - Herstellung zuverlässiger eingebetteter Elektronik auf Basis additiver Fertigungsverfahren

Abstract

Im Rahmen des Projektes wurde eine Technologieplattform entwickelt, um mit additiven skalierbaren 3D-Prozessen funktionsintegrierte elektronische Produkte zu ermöglichen und zuverlässig zu produzieren. Dazu wurden additive Fertigungsprozesse für Bauteile („3D-Printing“) mit additiven Fertigungsprozessen für Funktionsintegration („Gedruckte Elektronik“) und unter Verwendung von konventionellen, elektronischen Bauteilen („pick-and-place“) verknüpft. Ziel war die Demonstration flexibler und kosteneffizienter Herstellungsprozesse für neuartige, funktionsintegrierte Bauteile, beispielsweise für maßgeschneiderte Elektronik für Automotive oder für LED-basierte Lichttechnik. Es wurden elektrisch leitfähige Materialien auf Basis technisch relevanter Kunststoffe wie Polyamide (PA), Polypropylen (PP), Polyimid (PI) oder Polykarbonat (PC, PC/ABS) entwickelt. Durch einen speziellen Kompoundierprozess konnten Füllstoffgehalte von mehr als 80 Gew% (metallbasiert) bzw. 70 Gew% (kohlenstoffbasiert) erreicht und zu Filamenten für den 3D-Druck extrudiert werden. Es konnten so Materialkombinationen erreicht werden, die thermische Leitfähigkeiten im Bereich 2 bis 10 W/mK aufwiesen und gleichzeitig gut im 3D-Druck prozessierbar sind. Die Kombination bzw. Integration des 3D-Drucks (FFF) des Grundbauteils mit Gedruckter Elektronik durch Jetprozesse und angepasste Schnellaushärteprozesse erfolgte mit Hilfe kooperativer, robotergestützter Anlagentechnik. Dazu wurde ein Programm entwickelt, welches aus einem CAD-Modell und den auf diesem liegenden Pfaden für Leiterbahnen ein Druckprogramm für den Roboter optimiert und berechnet. So konnten Kunststoffbauteile mit integrierten Leiterbahnen sowie zusätzlichen Elektronikeinlegeteilen in einem Herstellungsprozess gedruckt werden. Die Leistungsfähigkeit dieses neuen hybriden additiven Fertigungsprozesses wurde durch den Druck verschiedener Demonstratorbauteile aus. Datei-Upload durch TIB As part of the project, a technology platform was developed to enable and reliably produce functionally integrated electronic products using additive, scalable 3D processes. To this end, additive manufacturing processes for components (“3D printing”) were combined with additive manufacturing processes for function integration (“printed electronics”) and the use of conventional electronic components (“pick-and-place”). The aim was to demonstrate flexible and cost-efficient manufacturing processes for innovative, function-integrated components, for example for customized electronics for the automotive industry or for LED-based lighting technology. Electrically conductive materials based on technically relevant plastics such as polyamides (PA), polypropylene (PP), polyimide (PI) or polycarbonate (PC, PC/ABS) were developed. Using a special compounding process, filler contents of more than 80% by weight (metal-based) and 70% by weight (carbon-based) could be achieved and extruded into filaments for 3D printing. This made it possible to achieve material combinations that have thermal conductivities in the range of 2 to 10 W/mK and are also easy to process in 3D printing. The combination or integration of 3D printing (FFF) of the basic component with printed electronics using jet processes and adapted rapid curing processes was carried out with the help of cooperative, robot-supported system technology. For this purpose, a program was developed that optimizes and calculates a printing program for the robot from a CAD model and the paths for conductor tracks on this model. This made it possible to print plastic components with integrated conductor paths and additional electronic inserts in a single manufacturing process. The efficiency of this new hybrid additive manufacturing process was demonstrated by printing various demonstrator components from the field of “lighting technology”.