Induktives Inline-Sintern für gedruckte Leiterbahnen mit einer Prozessregelung
Laufzeit: 01.10.2022 – 31.03.2025
Beschreibung
Im Projekt wurde ein induktiver Sinterprozess entwickelt, der direkt in den Druckprozess integriert
werden kann. Dazu wurden Pasten mit magnetischen Suszeptorpartikeln modifiziert, um eine direkte
induktive Erwärmbarkeit im feuchten Zustand zu ermöglichen. Die induktive Erwärmung erfolgt über
speziell entwickelte Induktoren, deren Geometrie und Frequenzverhalten simulativ und experimentell
optimiert wurden. Die Prozessregelung wurde adaptiert auf einer In-Line-Temperaturüberwachung
mittels Thermokamera, die eine Echtzeitabschaltung des Generators bei Erreichen einer definierten
Triggertemperatur erlaubt. Aufgrund der Prozessschwankungen im Zuge der inhomogenen
Magnetitpartikelverteilung in der Paste konnte keine allgemeingültige prädiktive Offline-Modellierung
realisiert werden. Es wurden sowohl stationäre als auch instationäre Sinterprozesse untersucht. Die
Ergebnisse zeigen, dass durch gezielte Regelung reproduzierbare Sinterqualitäten erreicht werden
können, insbesondere bei polymerfreien Pasten. Innerhalb der durchgeführten Versuchsreihen konnte
ein Optimum des Flächenwiderstandes der gesinterten Bahn bei 3,4 kW Leistung und 180°C
Triggertemperatur erzielt werden, wobei ein 23,9 % geringerer Flächenwiderstand, als bei der
Referenzprobe aus einem konventionellen Ofensinterprozess erzielt werden konnte.
Des Weiteren konnten gute Anhaftungen auf Substraten, welche für die herkömmlichen Ofenprozesse
ungeeignet sind, erzielt werden.
Forschungsziel
Ziel des Projekts INSEL war die Entwicklung eines innovativen Verfahrens zum induktiven Inline-Sintern
von silberpartikelhaltigen Leiterbahnen direkt nach dem Druckprozess im Jet-Dispensing-Verfahren.
Da die Pasten ohne einen Trocknungsprozess keine Leitungseigenschaften aufweisen, erfolgt die
Erwärmung selektiv über magnetische Suszeptorpartikel, die in die Paste eingebracht werden. Dabei
sollte eine Prozessregelung integriert werden, die eine kontrollierte Erwärmung der
Leiterbahnabschnitte ermöglicht, um eine reproduzierbare Sinterqualität zu erzielen. Durch die
Kombination von Druck, Trocknung und Sintern in einem kontinuierlichen Prozess sollte ein
multifunktionales Werkzeug entstehen, das die Funktionalisierung verschiedenster
Substratmaterialien erlaubt. Die Regelung basiert auf einem Prozessmodel der Leitungseigenschaften
und ermöglicht eine adaptive Steuerung des Energieeintrags. Ziel war es, eine prozesssichere
Alternative zu konventionellen Sinterverfahren wie Ofen- oder Lasersintern zu schaffen, die
insbesondere für KMU eine flexible, energieeffiziente und kostengünstige Lösung darstellt und die
Durchsatzzeiten erhöht.
Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU:
Die im Projekt INSEL entwickelten Verfahren zum induktiven Inline-Sintern bieten für kleine und
mittlere Unternehmen (KMU) erhebliche wirtschaftliche Potenziale. Durch die Integration des
Sinterprozesses direkt in den Druckvorgang können Produktionszeiten deutlich verkürzt und
Energieeinsparungen erzielt werden. Im Gegensatz zu konventionellen Verfahren wie Ofensintern
oder Lasersintern ist keine großvolumige Infrastruktur notwendig, sondern kompakte, modular
einsetzbare Induktionssysteme, die sich leicht in bestehende Fertigungslinien integrieren lassen. Dies
reduziert Investitionskosten und ermöglicht eine flexible Anpassung an unterschiedliche
Produktanforderungen.
Besonders relevant ist die Technologie für KMU in den Bereichen Elektronikfertigung,
Kunststofftechnik und Funktionsintegration. Die Möglichkeit, leitfähige Strukturen direkt auf
thermoplastische Substrate zu sintern, eröffnet neue Anwendungen in der Sensorik, im Leichtbau und
in der flexiblen Elektronik. Die entwickelten Prozessmodelle und die In-Line-Regelung ermöglichen
eine hohe Prozesssicherheit und Wiederholbarkeit, was für KMU mit begrenzten Ressourcen
besonders wichtig ist.
Darüber hinaus wurde durch die enge Zusammenarbeit mit dem projektbegleitenden Ausschuss
sichergestellt, dass praxisnahe Anforderungen berücksichtigt wurden. Die Ergebnisse wurden auf
Fachmessen und in Netzwerken präsentiert, wodurch ein direkter Wissenstransfer in die Industrie
erfolgte. Die Resonanz zeigt, dass ein signifikanter Bedarf besteht, die Technologie weiterzuentwickeln
und in die industrielle Anwendung zu überführen. KMU profitieren dabei nicht nur von der Forschung,
sondern auch von der Möglichkeit, sich frühzeitig in wachsenden Märkten wie gedruckter Elektronik
und Smart Systems zu positionieren.
- Erweiterung der Einsatzfelder und Leistungsfähigkeit von MID-Baugruppen
- Neue Produkte und Märkte für die Pastenhersteller:innen und Anlagenhersteller:innen und deren Zuliefer:innen (z.B.
Generatoren, Induktorenhersteller) - Senkung der Produktionskosten für Anwender:innen durch Reduzierung der Ausschussrate (Sinterprozessregelung und Defektenkorrektur) und energieeffektiver (lokal) und zeitsparender (Inline-) Nachbehandlung
- Erweiterung des Produktportfolios von Hersteller:innen gedruckter Elektronik
voraussichtliche industrielle Umsetzung der FuE-Ergebnisse nach Projektende:
- Automatisierte Fertigung von Funktionselementen für Bauteilefunktionalisierung für z.B. Automobilbau
mittels additiven Druckverfahren
Forschungsinstitute
Für weitere Kontaktdaten, kontaktieren Sie bitte die Geschäftsstelle. E-Mail an Geschäftsstelle
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz
Technische Universität Chemnitz
Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse, Professur Umformtechnik
Dokumente
Unterlagen zum Projekt erhalten Sie im Mitgliederbereich.
Falls Sie noch kein Mitglied sind, finden Sie hier Informationen zur Mitgliedschaft.
1. Projekttreffen Protokoll 25.11.2022
1. Projekttreffen Präsentation 25.11.2022
2. Projekttreffen Protokoll 15.02.2024
2. Projekttreffen Präsentation 15.02.2024
3. Sitzung des projektbegleitenden Ausschusses 05.03.2025
