Entwicklung einer zuverlässigen, federbasierten Verbindungstechnik für digital gefertigte Leitstrukturen [ZUFEK]
Laufzeit: 01.09.2021 – 31.08.2023
Forschungsziel
Das Vorhaben setzt sich zum Ziel sowohl ein industrietaugliches, federbasiertes Kontaktelement zu entwickeln, als auch anwendergerechte Auslegungsrichtlinien dafür. Als Endergebnis entsteht ein Berechnungswerkzeug, welches es Unternehmen erlaubt, Kontaktelemente für gedruckte Leitstrukturen anhand definierter Anforderungen auszulegen.
Beschreibung
Die gesellschaftlichen Trends nach erhöhtem Funktionsumfang und individualisierten Produkten resultieren in großen Herausforderungen für die Produktion bezüglich Funktionsverdichtung und gleichzeitiger Flexibilisierung. Das Drucken von Elektronik bietet dafür eine Lösung. Mit dieser additiven Fertigungstechnologie können Leitpasten und –tinten ohne zusätzlichen Werkzeug-, Schablonen- und Montageaufwand flexibel und ortsvariabel auf planare oder dreidimensionale Oberflächen aufgetragen werden. Je nach aufgebrachtem Muster lassen sich so Funktionselemente wie Leiterbahnen, Sensoren, Antennen, Heizelemente oder Aktoren realisieren.
Derzeit verhindert die noch unzuverlässige Kontaktierung den industriellen Serieneinsatz der gedruckten Funktionselemente in mechanisch stark belasteten Anwendungen, wie sie häufig im Automotive-, Luftfahrt-, Sport-, und Medizintechnikbereich auftreten. Zum einen fehlt es an geeigneten Kontaktierungsmethoden für die gedruckten Strukturen und zum anderen an einer Auslegungssystematik anhand definierter Anforderungen.
Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU
Der weltweite Markt für gedruckte Elektronik beträgt aktuell 7,8 Mrd.$. Bis 2025 wird dieser voraussichtlich 20,7 Mrd.$ erreichen, was einem jährlichen Wachstum von 21,5% entspricht. Die steigende Nachfrage nach flexibler Elektronik zu niedrigen Herstellungskosten und der Bedarf an umweltfreundlichen Technologien ebnen den Weg für eine zunehmende Verbreitung von gedruckten Funktionselementen. Anwendungsbranchen für den Funktionsdruck sind breit gefächert, können aber grundsätzlich zwei Klassen zugeordnet werden.
Funktionalisierung von Individualprodukten
- Bauwesen
z.B. gedruckte Stromleitungen, analog zum „3D-gedruckten Haus“ - Maschinen- und Anlagenbau
z.B. Dehnungssensorik zur Lasterkennung - Medizinprodukte
z.B. aktive Protesen - Sportgeräte
z.B. Sensorischer Skiroller
Quelle: https://www.germina.de/skiroller
Flexibilisierung der Massenproduktion
- Einzelhandel und Verpackungen
z.B. verdecktes Siegel zur Bestimmung der Echtheit eines Produktes - Luftfahrt
z.B. Heizungselemente ohne Trägerfolie auf Flügelelementen zur Enteisung - Automotive und Transport (PKW, LKW)
z.B. Funktionalisierte Stoßstange
Für die Branchen mit Ausrichtung auf Individualprodukte ist der Funktionsdruck ein Befähiger zur Fertigung funktionsintegrierter Systeme und zum Teil alternativlos in Bezug auf Masse und Bauraum. Durch die digital gesteuerten Prozesse ist eine Fertigung bis zur Stückzahl 1 wirtschaftlich realisierbar, da zum nächsten Produkt nur Bahn- bzw. Layoutanpassungen vorgenommen werden müssen. Daher ist es möglich, die kundenspezifischen Geometrien der Bauteile zu berücksichtigen und gleichzeitig kundenspezifische Eigenschaften (Sensoren, Aktoren) mittels Funktionsdruck zu realisieren.
In der Massenproduktion besteht die Motivation des Funktionsdruckes in der Flexibilisierung und bedarfsgerechten Nutzung von Fertigungslinien. Gerade in der Automobilindustrie bestehen durch den Funktionsdruck erhebliche Einsparpotenziale, beispielsweise durch das Ersetzen von Kabelbäumen. Zum einen nimmt die Variantenvielfalt und die Leitungslänge bei Kabelbäumen extrem zu. Dieser Trend wird sich durch autonom fahrende Fahrzeuge und redundant ausgelegte Systeme in Zukunft noch weiter verstärken. Zum anderen ist der Anteil manueller Arbeit bei der Herstellung von Kabelbäumen mit 80%, immer noch sehr hoch und kaum automatisierbar, da Kabel in der Regel biegeschlaff sind. Darüber hinaus erfolgt die Montage der Kabelbäume manuell. Die Personalkosten für die Herstellung eines Fahrzeuges insgesamt betragen dabei 10%. Dieser Anteil kann durch digital gefertigte Leitstrukturen reduziert werden. Gleichzeitig bieten sie eine Lösung für die steigende Komplexität von Kabelbäumen.
Forschungsinstitute
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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU)
