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Einladung zum 7. MID Day – LDS auf Silikon & intelligente Isolationssysteme

Auf dem 7. MID Day am 10. August 2022 erwarten Sie zwei spannende Vorträge aus der MID-Welt. Die Online-Veranstaltung beginnt um 16 Uhr (CEST) und ist für alle Personen kostenfrei zugänglich. Jeder Vortrag dauert etwa 20 Minuten und wird von einer Diskussion begleitet.

Zunächst wird Dr. David Bowen vom Lehrstuhl Laboratory for Physical Sciences der University of Maryland, USA den Vortrag “Laserdirektstrukturierte Schaltungen auf Silikon“ halten.

 

Silikonkautschuk ist ein bemerkenswertes Material, das für seine hohe Temperaturbeständigkeit und chemische Beständigkeit, vor allem aber für seine elastomeren Eigenschaften bekannt ist. Zu den Anwendungen von Silikon gehören biokompatible Sensoren, weiche Robotik, empfindliche mechanische Sensoren und mechanisch abstimmbare Geräte. Es besteht ein starker Wunsch, für diese Anwendungen Elektronik in Silikonstrukturen zu integrieren und dabei eine Direktschreibmethode zu verwenden. Silikon hat jedoch eine niedrige Oberflächenenergie, was es für direkt schreibende Tinten schwierig macht, zu haften. In diesem Vortrag werden die Forschungsarbeiten zur Anwendung des Laser-Direkt-Strukturierungsverfahrens (LDS) auf hochflexiblem, mit Kupferchromit dotiertem Silikon (Smooth-On Ecoflex 00-30) zur Herstellung von Kupferschaltungen erläutert. Mit der Laser-Mikroaufrauhung und dem chemisch gewachsenen Kupfer werden die LDS-Leiterbahnen eine hervorragende Haftung aufweisen und gleichzeitig hoch leitfähig und lötbar sein. Es werden minimale Prozessparameter wie Dotierungsgrad und mittlere Laserleistung vorgestellt. Es wurde gemessen, dass die mechanischen Eigenschaften wie Elastizitätsmodul und Schälfestigkeit mit dem Dotierungsgrad zunehmen. Repräsentative Spuren wurden mechanisch getestet, um die Bruchdehnung und die maximalen 60 % Dehnungszyklen zu bestimmen. Es wurden fraktale Mäander- und Hilbert-Induktoren hergestellt und ihre Induktivität vor und nach der Belastung gemessen. Eine halbkugelförmige spiralförmige Leiterbahn wurde auf einer Silikonschale hergestellt, um die Fähigkeit zur 3D-Fertigung zu demonstrieren. Zudem werden erste Beispiele von LDS-Bahnen auf silikonimprägniertem Gewebe vorgestellt.

Anschließend stellt Maximilian Kneidl vom Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der FAU Erlangen-Nürnberg das Forschungsprojekt „INFINITE“ – Integrative Funktionserweiterung im Elektromaschinenbau zur automatisierten Herstellung intelligenter Isolationssysteme – vor.

 

Im Rahmen der zunehmenden Elektrifizierung des Mobilitätssektors steigen die Anforderungen an den elektrischen Antrieb sowohl hinsichtlich der Leistung und Effizienz als auch an das Produktionssystem hinsichtlich der auszubringenden Stückzahlen. Als limitierender Faktor rückt dabei das Isolationssystem in den Mittelpunkt, da es den Betriebspunkt einer Maschine thermisch und elektrisch begrenzt. Aktuelle Isolationsprozesse nehmen mit ca. 40 Minuten Durchlaufzeit einen maßgebenden Anteil an der gesamten Produktionszeit eines Stators ein.

Innerhalb des Isolationsprozesses zeigt der Duroplast-Spritzguss neue, bisher ungenutzte Potenziale im Bereich der Elektromobilität auf. Werkstoffseitig erlauben duroplastische Compounds durch eine gezielte Modifizierung bessere mechanische und thermische Eigenschaften im Vergleich zu bisherig verwendeten Harzsystemen. Von Seiten des Prozesses kann durch den Spritzguss im Vergleich zu gängigen Gießverfahren eine höhere Reproduzierbarkeit während der Verarbeitung und damit eine verbesserte Bauteilqualität, bei gleichzeitig verringerter Prozesszeit, erzielt werden.

Das angestrebte Forschungsziel ist die Befähigung eines Duroplast-Spritzguss-Prozesses zur Isolation von Statoren für Elektromotoren. Dabei sollen werkstoffliche Vorteile und die Freiheitsgrade des Verfahrens genutzt werden um ein optimiertes Isolationssystem bei verkürzter Prozesszeit im Vergleich zu gebräuchlichen Prozessen herzustellen. Anhand eines iterativen Entwicklungsprozesses sollen hierzu zunächst geeignete Duroplasten ausgewählt, modifiziert und im Rahmen von Vorversuchen charakterisiert werden. Im Abgleich mit den Anforderungen an die Bauteilvorbereitung sollen Demonstratoren hergestellt und abschließend validiert werden.

Die Forschungsergebnisse befähigen mittelständische Unternehmen im Bereich der Kunststofftechnik Schlüsseltechnologien in die Elektromobilität zu transferieren und nachhaltig die Wertschöpfung und Beschäftigung am Standort Deutschland zu sichern.

Abbildung 1: Zusammengesetzte Figur eines Spiralkreislaufs auf einer Silikonschale; Quelle: Laboratory for Physical Sciences der University of Maryland, USA
Abbildung 2: Grafische Zusammenfassung; Quelle: Laboratory for Physical Sciences der University of Maryland, USA
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