Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V.
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Neue Projektskizze: 3D-Opto-elektro MID durch Thermoformen von additiv gefertigten Hybridsystemen [3D-Optronic MID]

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Beschreibung

Mittels sequenzieller Beschichtungstechnik (Dispensieren/Aerosol-Jet) können heutzutage Multimaterialsysteme in und auf 3D-Bauteilen realisiert werden. Neben der additiven Fertigung der Grundkörper kann somit auch die Integration von elektrischen Leiterbahnen und optischen Lichtwellenleitern additiv und mit hoher Formfreiheit umgesetzt werden. 3D-Opto-elektro MID bieten die Möglichkeit für eine intrinsische galvanische Trennung, ausgezeichnete elektromagnetische Verträglichkeit und neuartige Anwendungen in der Sensortechnik. Die vollständige Integration von Elektronik und Optik auf 3D-Grundkörpern führt daher zu einer Steigerung der Funktionalisierung von MID. Aktuelle Fertigungsverfahren ermöglichen derzeit keine industrielle Skalierung von 3D-Bauteilen mit integrierten elektrischen Schaltungen und komplexen optischen Netzwerken. In dem Projekt „3DOptronic MID“ soll daher eine hochproduktive Prozesskette zur Fertigung von 3D-Hybridsystemen mit integrierten optischen Netzwerken und elektronischen Leitern erforscht werden. Hierfür werden zuerst (mehrlagige) Hybridsysteme auf planaren Folien erzeugt, die sowohl Leiterbahnen zur Ansteuerung von Dioden (optische Quellen und Empfänger), als auch optische Wellenleiter zur Informationsübertragung und Energieversorgung enthalten. Im eingesetzten Verfahren dem Flexodruck können sowohl elektrisch leitfähige als auch lichtleitende Materialien appliziert werden. Anschließend wird mit dem Thermoformen dem planaren Hybridsystem die räumliche Ausprägung entsprechend der Funktionsgeometrie gegeben. Die wesentliche Forschungsfragestellung ist, wie die Hybridsysteme und die Formparameter auszulegen sind, um eine zuverlässige Funktion im Produkt zu gewährleisten. Hierzu müssen die einzelnen Prozesse auf Produktivität und Qualität optimiert werden, um das ökonomische Potenzial zu heben. Für die Prozessentwicklung müssen die für das Thermoformen relevante Temperaturstabilität und Verformbarkeit charakterisiert werden. Dies gilt einerseits für das Substrat als auch für die optischen und elektrischen Materialien.

Abbildung 1: Lösungsansatz; Quelle: Leibniz Universität – ITA

Anschließend werden mithilfe von mechanischen Prozesssimulationen geometrische Grenzwerte für den Umformprozess (Krümmungsradien, Dehnungen) ermittelt. Gleichzeitig werden die Prozessgrenzen und Geometrievorgaben prototypisch mit 3D-gedruckten Stempelkörpern validiert und umgesetzt. In Abhängigkeit mit den ermittelten Umformanforderungen werden im Flexodruck verschiedene Schichtdicken und gedruckte Layouts hybrider Systeme hergestellt. Dazu werden die Teilprozesse mit thermoformbaren Substraten (PMMA, PC, PET) erprobt. Zur Fertigung der Lichtwellenleiter werden UV-härtende Polymere verdruckt. Für die elektrischen Leiterbahnen werden metallhaltige (Cu oder Ag) Pasten oder Tinten aufgebracht, getrocknet und optional mittels Blitzlicht versintert. Es erfolgt eine umfassende Untersuchung der mechanischen Eigenschaften wie Haftfestigkeit, Geometrie (Konfokales Mikroskop, REM) und Temperaturstabilität (Temperaturwechseltests) der erzeugten Systeme. Ebenso wird eine Validierung der charakteristischen Eigenschaften, wie der optischen Dämpfung oder übertragbaren Bandbreite für Lichtwellenleiter und des elektrischen Widerstands für elektrische Leiter, vorgenommen. Abschließend erfolgt die Validierung des mehrstufigen Flexodrucks und das Thermoformen des Gesamtsystems. Mit den erzeugten 3D-Hybridsystemen sollen mehrere Demonstratoren realisiert werden, um die Vorteile für die Sensorik und für die Auslegung von funktionalen Beleuchtungselementen zu veranschaulichen.

Forschungsziel

Ziel des Projektes ist es 3D-Bauteile mit vollständig integrierten elektrischen Leitern und optischen Netzwerken zu fertigen. Im Fokus der Untersuchungen steht die Bestimmung des technisch möglichen Parameterbereichs für Flankenwinkel, Krümmungsradien und Höhe der erzeugten 3D-Geometrie bei gleichzeitig minimaler optischer Dämpfung. Besonders innovativ ist, dass die Bestückung mit Bauelementen durch das Thermoformen vereinfacht werden soll, da eine Ausrichtung der optischen Bauelemente zum Wellenleiter durch das Erzeugen von Taschen sowie das Ausgleichen auftretender Höhenunterschiede erfolgt. Wir streben im Rahmen des Projekts eine maximale Signaldämpfung zwischen Sender und Empfänger von 10 dB an. Mit einer Dämpfung von 0,2 bis 1 dB/cm (Literaturwerte für planare optische Systeme) folgt daraus eine maximale Transmissionslänge von 10 bis 50 cm. Bei der angestrebten optischen Leistung von 50 mW auf der Senderseite steht den Sensoreinheiten somit eine Leistung von 5 mW zur Verfügung. Die Forschungsziele sollen urch eine empirische Überprüfung von Prozessparametern und die Ermittlung der gültigen Prozessfenster erreicht werden.

Abbildung 2: Schema der Lasersinterung von Kupferlack; Quelle: Leibniz Universität – ITA

Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU

Das Projekt ermöglicht KMU die Produktion von neuartigen Produkten wie zum Beispiel Gehäusen oder Verpackungen mit integrierten optischen Wellenleitern und Sensoren. Dies ist für sicherheitsrelevante Bauteile ein Wettbewerbsvorteil. Außerdem können durch die Entwicklung von „smarten“ Bauteilen Bedürfnisse in der Industrie 4.0 erfüllt werden. Weitere Beispiele für die Anwendung auf umformbaren Substraten, bildet auch die Verteilung von Licht in Beleuchtungsanwendungen wie z.B. in PKW-Innenräumen. Die additive Herstellungsmöglichkeit der Abformkörper beim Thermoformen ermöglicht zudem eine adaptive Designanpassung, welche für die durch Individualisierung geprägte Medizintechnik besondere Vorteile bietet. Eine besondere Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von KMU entsteht durch das Alleinstellungsmerkmal von einer skalierbaren Produktion elektro-optischer MID, die eine kostengünstige Massenfertigung ermöglicht. Die Projektergebnisse sollen KMU die Realisierung von komplett optisch gekoppelten Sensorknoten ermöglichen, die über eine rein optische Daten- und Energieanbindung in einem optischen Netzwerk verfügen.

Abbildung 3: Beispielanwendungen der gedruckten Lichtwellenleiter im Automotive Bereich; Quelle: http://www.hifi forum.de/bild/punto tur ohne verkleidung_60879.html; https://www.mein elektroauto.com/2017/02/so sieht die batterie des elektroauto tesla model s von innen aus/21982/elektroauto tesla mo del s p100d akkupaket/; Leibniz Universität – ITA

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