Printed electronics

Gedruckte Elektronik erschließt immer mehr Anwendungsfelder in unserem Alltag wie z. B. in OLED-Displays, Solarzellen oder Ebook-Readern. Doch welche Herstellungsverfahren und Materialien bestimmen die Anwendung der Zukunft? Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt digitale, energieeffiziente und ressourcensparende Lösungen für zukünftige Herausforderungen.  

Vergoldungen für hochwertige Kontaktstellen werden heute mittels Galvanik oder chemischen und physikalischen Abscheideverfahren wie PVD und CVD hergestellt. Diese Verfahren sind kosten- und zeitintensiv und verwenden teils umweltschädliche und giftige Chemikalien. Durch Kombination von Druck- und Laserverfahren kann der Verbrauch 

von kostenintensivem Edelmetall verringert und der von umweltschädlichen Chemikalien in galvanischen Verfahren ganz vermieden werden. Mithilfe neu entwickelter Laserverfahren können selektiv gedruckte Goldpasten auf Ni-Cu-Substraten hergestellt werden. Bis zu 80 Prozent des zuvor eingesetzten Goldes kann so eingespart werden. Die metallurgisch mit dem Substratmaterial verbundenen Goldschichten weisen Schichtdicken von 2–5 μm auf und sind mechanisch sehr robust. 

Faserverbundkunststoffe (FVK) sind im Leichtbau nicht mehr wegzudenken. Wachsender Bedarf und fortschreitende Funktionsintegration für beispielsweise mechanisch überwachte, komplexe Strukturbauteile oder beheizte Komponenten in Elektro-Flugzeugen erfordern neue Fertigungsverfahren. Durch  die Kombination digitaler Druck- und Laserverfahren können elektrische Funktionen (Heizen, Messen von Dehnung, Messen der Alterung, Signalleitungen etc.) auf und in FVK integriert werden. Verglichen mit Ofennachbehandlungsverfahren weisen die so hergestellten Schichten variierbare elektrische Eigenschaften bei geringerer thermischer Belastung des Bauteils auf.

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) werten unsere Smartphones zu einem hilfreichen Alltagswerkzeug voller nützlicher 

und kompakt integrierter Funktionen auf. Mikroaktuatoren, wie beispielsweise in Mikrolautsprechern oder Mikropumpen, werden durch dünne piezoelektrische Funktionskeramiken angetrieben, die sich bei Anlegen eines elektrischen Felds mechanisch verformen. 

Mit konventionellen Fertigungsverfahren der Mikroelektronik ist die Herstellung solcher piezoelektrischer Multischichtsysteme äußerst zeit- und kostenintensiv. Durch die Kombina-tion von Tintenstrahldruck mit laserbasierten Funktionalisierungsverfahren ist es möglich, den Zeit- und Kostenaufwand zur Herstellung hochfunktionaler Dünnschicht-MEMS im industriellen Maßstab maßgeblich zu reduzieren.

Folien-Dehnungsmesstreifen (DMS) werden heute meist händisch auf Bauteile aufgeklebt. Dieser Prozess erfordert viele Arbeitsschritte, Erfahrung, Zeit und Fingerspitzengefühl. Damit ist die Installation des DMS meist der größte Kostenanteil zur Nutzung dieser Sensoren. Die Additive Fertigung ermöglicht nicht nur den Druck von DMS auf günstige Trägerfolien, DMS kann auch direkt auf ein Bauteile aufgedruckt werden, wodurch der manuelle Schritt des Aufklebens entfällt. Beschichtungsverfahren wie Dispensen oder Inkjet-Druck können die nötigen Funktionsschichten aus einem digitalen Modell automatisiert und präzise auftragen. Ein Laser führt die erforder-liche Nachbehandlung in wenigen Sekunden aus, ohne dass das Bauteil in einem Ofen erwärmt werden muss. Durch die Verwendung einer WLAN-fähigen Auswerteplatine ist eine kabellose Überwachung der Bauteile möglich. Neben DMS lassen sich auch Temperatursensoren, Leiterbahnen oder Heizstrukturen auf die Bauteile aufbringen.

Durch die Kombination des laserbasierten metallischen 3D-Drucks (Laser Powder Bed Fusion LPBF) mit dem Druck von Sensoren mittels Inkjet-Druck oder Dispensen lassen sich fühlende Bauteile voll additiv fertigen. Dabei können die Sensoren auf die fertig gedruckten Bauteile aufgetragen oder während des LPBF-Verfahrens in das Bauteil eingebracht werden. Dafür wird das LPBF-Verfahren zum passenden Zeitpunkt pausiert, die Isolationsschicht auf die definierten Flächen gedruckt und laserbasiert ausgehärtet. Druck und thermische Nachbe-handlung erfolgen äquivalent für Messgitter und Verkapselung. Im Anschluss wird das LPBF-Verfahren fortgeführt, ohne die gedruck-ten Strukturen zu beschädigen. Dieses Vorgehen eröffnet vollkommen neue Möglichkeiten für das Design „smarter“ Bauteile, da durch die reine digitale Prozesskette individuelle  Bauteil- und Sensordesign bis zur Losgröße 1 hergestellt werden können. So werden Bau- teile befähigt in Bereichen der Industrie 4.0  wie »Internet of Things« und »digitaler Zwilling« verwendet zu werden. Als Beispiel konnten Dehnungssensoren in einem mittels LPBF  hergestellten Fräskopf integriert werden.