HybridFilament: Entwicklung eines Verfahrens zur kostengünstigen Herstellung von Draht-Polymer-Kompositen im Fused-Filament-Fabrication-(FFF) unter Verwendung hybrider Filamente.
Laufzeit: 01.01.2026 – 31.12.2027
Beschreibung
Für die additive Fertigung von Leiterbahnen und funktionalen Strukturen wie Sensoren, Spulen usw. können Verfahren wie die LDS-Strukturierung oder Dispensverfahren eingesetzt werden. Diese Verfahren sind aufgrund der hohen Materialkosten, des großen Herstellungsaufwands, der begrenzten Qualität (Dispensen) sowie der benötigten Anlagentechnik nur schwer zugänglich. Im Vergleich dazu bieten 3D-Drucker des FFF-Verfahrens eine kostengünstige und weit verbreitete Alternative. Mit leitenden Filamenten ermöglichen sie die kosteneffiziente Herstellung funktionaler Strukturen. In solchen Filamenten wird eine leitende Verbindung durch dispergierte Partikel hergestellt, die stochastische Kontakte bilden. Die aktuell verfügbaren Filamente weisen jedoch eine geringe Leitfähigkeit auf (11.500 Ohm mm²/m | Vergleich Kupfer: 0,0167 Ohm mm²/m[1]), vergleichsweise hohe Materialkosten und schlechte Verarbeitungsqualität. Um eine Alternative zu bieten, muss der Leitwert signifikant erhöht werden und dazu soll das Vorhaben HyFi (hybride Filamente) einen Lösungsansatz bieten. Im Projektvorhaben soll ein Filament entwickelt werden, das einen soliden Metalldraht enthält und für den Einsatz im FFF-Verfahren geeignet ist. Somit können mit den kostengünstigen Mitteln des FFF-Verfahrens und bestehender Anlagentechnik Leiterbahnen mit soliden Kupferleitern (0,0167 Ohm mm²/m) appliziert werden. Es konnte bereits nachgewiesen werden, dass ein Filament aus einer Drahtseele und einer Polymerhülle für die Verarbeitung in Standard-Drucksystemen geeignet ist [2]. Um eine industrielle Anwendung zu ermöglichen, werden die Filament-Extrusionsprozesse analysiert, um die gewünschte Qualität und Funktionalität zu gewährleisten. Im Projekt wird eine Düsenvorrichtung für Filamentanlagen entwickelt, die das Kernmaterial präzise zuführt und zentriert. Zudem werden Prozessparameter der Verarbeitung (z.B. Temperatur, Geschwindigkeit) untersucht werden, um eine optimale Nutzung des Filaments in verschiedenen 3D-Druckern zu ermöglichen. Die Forschungsarbeit fokussiert sich darauf eine umfängliche Anwendung mit standardisierten Elektronikelementen möglich ist und dahingehend verschiedene Kontaktierungslösungen untersuchen, sodass z.B. Steckkontakte nahtlos verwendet werden können. Diese Erkenntnisse werden in einer komplementären Verfahrensvorschrift zusammengefasst, um eine niederschwellige Umsetzung gedruckter Elektronik für eine breite Masse deutscher KMUs zugänglich zu machen. Langfristig ist eine Nutzung des Verfahrens sowohl für die Einzelteilfertigung als auch für die Herstellung einfacher Kleinserien absehbar.
[1] Jackson O’Connell. „The best Conductive Filaments“ https://all3dp.com/2/conductive-filament-brands-compared/ (Zugriff
am: 06.01.2025)
[2] F. Ziervogel, L. Boxberger, A. Bucht, and W.-G. Drossel, “Expansion of the Fused Filament Fabrication (FFF) Process Through Wire Embedding, Automated Cutting and Electrical Contacting,” IEEE Access, p. 1, 2021, doi:
10.1109/ACCESS.2021.3065873.
Abbildung 2: Eigene Vorarbeiten mit Hybridfilamenten a) Cu-Draht ⌀ 0,2 mm mit TPU-Filament auf 100 µm TPU-Folie; b) Fingerorthese mit integrierten Heizelementen ⌀ 0,2 mm c) Mesostruktur mit Heizdrähten ⌀ 0,2 mm d) Ablage des Hybridfilaments im Druckprozess
Abbildung 1: schematische Darstellung eines hybriden Filaments mit Drahtkern
Forschungsziel
Entwicklung einer Technologie zur kostengünstigen Fertigung funktionaler Kompositwerkstoffe (im Vergleich zu Silberleitpaste um den Faktor 30 günstiger) mittels FFF-Verfahren mit einem hybriden Filament, das Draht-Polymer-Verbundbauteile auf bestehenden Druckanlagen ermöglicht. Mit den Anforderungen Signalleitung und Leistungsleitung werden Filamente mit unterschiedlich starken Kerndrähten in den Materialien PLA; ABS; TPU und PC hergestellt.
Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU
Die globale Marktgröße für gedruckte Elektronik wurde im Jahr 2023 auf 11,74 Mrd.$ geschätzt und soll mit einer jährlichen Rate von 22,4 % von 13,80 Mrd.$ (2024) auf 69,54 Mrd.$ (2032) wachsen [8]. Die Marktgröße für 3D-Druckfilamente wird auf 0,91 Mrd.$ (2024) geschätzt und auf 2,21 Mrd.$ (2029) wachsen, was einem jährlichen Wachstum von 19,48 % entspricht [9]. Neben dem Wachstum des Technologiefeld, ist der FFF-Prozess nach wie vor am weitesten verbreitet und bei 71% der Nutzer InHouse verfügbar [10]. Durch die Kosteneffizienz ist dieses Verfahren besonders für KMUs von Bedeutung
[11]. Die Fertigung elektrischer Funktionen ist von umfassender Relevanz, sodass das vorgestellte Vorhaben die kostengünstige Implementierung in einer Vielzahl von Industriezweigen erlaubt. Somit erhalten viele KMUs einen Zugang zu Prozessautomatisierung, welche ansonsten außerhalb Europas stattfindet. Direkt im Projektanschluss können Filamenthersteller evaluierte, neuartige Filamente auf den Markt bringen und somit eine Vorreiterstellung einnehmen. Die Druckanwender im PbA erweitern die Möglichkeiten ihres Maschinenstands und können optimierte Lösungen anbieten. Durch das materialoffene Ausgangssystem können niederschwellig, neue Materialkombinationen evaluiert und optimiert werden. So sind folgende Spezialisierungen für Sensorik, Heizanwendung oder Verstärkungsfasern denkbar. Somit ist das Anwendungsfeld nicht auf Leiterbahnen beschränkt und kann flexibel und bedarfsgerecht weiterentwickelt werden.
[8] Marktgröße, Anteil und Branchenanalyse für gedruckte Elektronik, nach Technologie […] Prognose 2024 – 2032
https://www.fortunebusinessinsights.com/de/markt-f-r-gedruckte-elektronik-109706 (Zugriff am: 06.01.2025)
[9] Marktgrößen- und Marktanteilsanalyse für 3D-Druckfilamente – Wachstumstrends und Prognosen (2024 – 2029)
https://www.mordorintelligence.com/de/industry-reports/3d-printing-filament-market (Zugriff am: 06.01.2025)
[10] Most used 3D printing technologies worldwide 2021
https://www.statista.com/statistics/560304/worldwide-survey-3d-printing-top-technologies/ (Zugriff am: 06.01.2025)
[11] Sculpteo. “The state of 3d printing. 2022 edition” S.17
Forschungsinstitute
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- Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Dokumente
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