3D optische Leiterbahnen auf funktionalen Oberflächen mittels Mosquito-Methode
Laufzeit: 01.07.2022 – 30.06.2024
Forschungsziel
Das Forschungsziel des Vorhabens ist die Integration von Lichtwellenleitern in Kavitäten auf 3D-Oberflächen mittels der Mosquitomethode. Es soll zudem eine industrielle Fertigung ermöglicht werden.
Beschreibung
In diesem Forschungsprojekt soll ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen integrierten optischen Wellenleitern untersucht werden. Die Wellenleiter werden dabei vollständig in vorher erzeugten Kavitäten auf ein 3D-Mechatronic Integrated Device (3D-MID) integriert. Für die Realisierung dieses Vorhabens soll die sogenannte Mosquito-Methode verwendet werden. Dies ist ein Verfahren, um optische Wellenleiter mittels Nass-in-Nass Dispensieren herzustellen. Dabei wird in einem noch flüssigen optischen Mantelpolymer mit einer Nadel der lichtleitende Kern dispensiert und anschließend die gesamte Struktur unter UV-Strahlung polymerisiert. Durch diesen innovativen Herstellungsprozess ist es möglich, sowohl Singlemode- als auch Multimode-Wellenleiter zu erzeugen. In diesem Forschungsvorhaben soll die Mosquito-Methode erstmals in Kavitäten auf funktionalen MID-Bauteilen realisiert werden. Dafür soll darüber hinaus eine elektrooptische Kopplung zwischen Wellenleiter und Elektronik direkt auf der 3D-Bauteiloberfläche erzeugt werden. Dies ermöglicht das Einbringen optischer Strukturen als Kommunikationskanäle (z. B. in MID-Bauteilen), sowie die Nutzung mittels optischer Messtechnik. Außerdem können integrierte Beleuchtungselemente auf 3D-Oberflächen erzeugt werden.
Abb. 1 : Schematische Darstellung des 3D MosquitOPrint Prozesses; Quelle: Leibniz Universität Hannover, ITA
Die Ergänzung von optischen Übertragungsstrecken in konventionellen Schaltungen ermöglicht einen höheren Datendurchsatz bei gleichzeitiger Resistenz gegen elektromagnetische Störungen, weswegen keine zusätzliche Signalabschirmung für die Leitung nötig wird. Zusätzlich besitzen optische Übertragungsstrecken eine inhärente galvanische Trennung, die mit der Länge der Übertragungsstrecke skaliert (> 3kV/mm). Dadurch können diese Systeme auch in Umgebungen mit hohen elektrischen Feldern und explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden. Der verfolgte Ansatz ermöglicht außerdem die Integration von innovativer optischer Messtechnik. Ein Beispiel dafür ist die Integration von Bragg-Gittern in den Wellenleitern. Hier sind im Besonderen Temperatur- und Dehnungssensoren zu nennen, die in großer Zahl zu niedrigen Kosten hergestellt werden können. Um diese neue Fertigungstechnik zu ermöglichen, sollen im Rahmen dieses Forschungsvorhabens folgende Ziele erreicht werden:
- Die additive Erzeugung optischer Kanäle direkt in Kavitäten auf dem Bauteil. Hierdurch ist eine nahtlose Integration in bestehende Prozesse zur Fertigung von 3D-Bauteilen möglich.
- Der Prozess soll auf verschiedene Substratmaterialien mit einer zuvor integrier-ten Kavität anwendbar werden. Dies wird dadurch ermöglicht, dass es keine besonderen Anforderungen an die Oberflächenrauheit der Substrate (Rz ≤ 100μm) gibt, da in dem vorgestellten Verfahren der Wellenleitermantel ebenfalls direkt additiv erzeugt wird. Außerdem sollen auch nicht transparente Substrate verwendet werden (z. B. Metalle oder Kunststoffe).
- Der Durchmesser des Wellenleiters (Kernmaterial) soll unter 10 μm liegen. Hier-durch soll, durch die Auswahl eines geeigneten Kern-Mantel-Materialsystems, die Erzeugung von Singlemode-Wellenleitern möglich werden.
Abb. 2: Schematische Darstellung eines 3D MID mit Kavität (links), der Wellenleitererzeugung (mittig) und des bestückten 3D opto MID (rechts); Quelle: Leibniz Universität Hannover, ITA
Wirtschaftlicher Nutzen für KMU
Der weltweite Umsatz der deutschen Elektronikindustrie beträgt 190 Mrd. € (2019), was 11 % der deutschen Industrieproduktion ausmacht und so die zweitgrößte Industriebranche in Deutschland darstellt. Da Vorleistungsgüter hauptsächlich im asiatischen Raum gefertigt werden, bieten sich für KMU in Deutschland besondere Chancen zur Herstellung von spezialisierten Industriegütern und zum Angebot von exklusiven Dienstleistungen. Ein mögliches Betätigungsfeld liegt in der Integration von optischen Komponenten in elektrischen 3D-MID-Bauteilen. Diese können sowohl sensorische Aufgaben übernehmen, als auch zur Integration von robuster Hochleistungskommunikation in anspruchsvollen Umgebungen, sowie zur Beleuchtung genutzt werden. Eingesetzt werden können diese Bauteile dann in stark von elektromagnetischer Strahlung gestörten Bereichen, oder in Bereichen, die einer starken galvanische Trennung bedürfen. Diese hochspezialisierten Anwendungen sind insbesondere für KMU geeignet, da es sich oft um Kleinserien handelt. Wesentlicher Bestandteil der technischen Innovation in diesem Vorhaben liegt in der Nutzbarmachung von optischen Wellenleitern auf elektrischen Schaltungsträgern. Durch die neue Produktklasse von optischen MIDs werden grundlegende Voraussetzungen für die Entwicklung von neuartigen Produkten geschaffen. In der Zusammensetzung des projekt-begleitenden Ausschusses (PA) wird die gesamte Prozesskette von der Herstellung der Produkte bis zur Nutzung der Erzeugnisse abgebildet. Neue Möglichkeiten eröffnen sich insbesondere für die Hersteller von Fertigungssystemen, welche zur Produktion dieser Bauteile genutzt werden. LPKF (KMU) hat dadurch die Möglichkeit, heutige Anlagen mit einem erweiterten Funktionsspektrum auszustatten und die neuen Erkenntnisse in Form von Service und Schulungen an ihre Kunden zu liefern. Ebenso können Fertigungsdienstleister, wie die Firma ILFA (KMU), die neue Prozesstechnik für Kundenaufträge nutzen. Darüber hinaus bietet dieses Verfahren auch für Hersteller von Spritzgusswerkzeugen, wie der Firma Toolcraft (KMU), einen Einstieg in diesen innovativen Markt, da die Kavitäten für die Lichtwellenleiter direkt beim Spritzguss gefertigt werden können. Für Materialhersteller von Polymeren, wie der Firma Jännecke und Schneemann, bieten sich neue Produktanwendungen. Dadurch entsteht das Potenzial einer höheren Wertschöpfung. Auf der Anwendungsseite bieten sich ebenso vielfältige Entwicklungsmöglichkeiten, wie der steigende Bedarf für Bauteile mit integrierten optischen Funktionen von Firmen wie SIEMENS und HELLA zeigt. Die Demonstratoren aus diesem Forschungsvorhaben stehen repräsentativ für den zukünftigen Bedarf an hochintegrierten und individuell angepassten elektrooptischen Produkten bei Firmen, wie SIEMENS und HELLA. Zum einen soll eine optische Sensorplatte erprobt werden, zum anderen soll die Tauglichkeit für einen Einsatz in einem Scheinwerfer für Automobile bewertet werden. Für Anwendungen in der Automobilindustrie könnten KMU als Zulieferer von Systemen für Großserienanwendungen auftreten. Durch die hohe Variabilität des angestrebten Prozesses bieten sich insbesondere für KMU vielfältige Möglichkeiten zur Steigerung ihrer Wettbewerbsfähigkeit. Dadurch können KMU-typische Geschäftsfelder der Wandlungsfähigkeit, Individualisierung und Sonderausstattung bedient werden. Die neue Technologie ist auch für den Bereich des Prototypings und der kleinen Stückzahlen individualisierter Produkte geeignet, wodurch sich das Anwendungsfeld explizit mit dem Geschäftsmodell vieler KMU überschneidet.
Die Produktion optischer 3D-MIDs stellt eine Technologie dar, die auf dem Markt einen hohen Alleinstellungswert hat und dadurch einen großen wettbewerblichen Vorteil genießt. Die heutigen Akteure im Bereich der 3D-MID-Technologie können die Ausweitung der Anwendungsszenarien in Zukunft für eine Erweiterung ihrer Geschäftsfelder nutzen. So wird Unternehmen ermöglicht, ihre bestehende Prozesstechnik auf vielfältige neue Produkte auszuweiten. Durch die freie Substratwahl, kann dieser Prozess auch direkt auf Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien eingesetzt werden. Dies schließt unter anderem Metalle, Keramiken und Kunststoffe ein, sowie auch Komposite, wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe.
Der Einsatz von optischer Mess- bzw. Kommunikationstechnik direkt auf der Oberfläche von großskaligen Bauteilen vereinfacht zudem den Aufbau solcher Systeme erheblich, da konventionelle Messstellen über diskrete optische Wellenleiter verbunden werden müssen. Zusätzlich lässt sich der Materialverbrauch mittels 3D-MosquitOPrint erheblich senken, somit leistet diese Forschung auch einen gesellschaftlichen Beitrag zum Umweltschutz und zur verbesserten Nachhaltigkeit.
Forschungsinstitute
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Leibniz Universität Hannover – ITA
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