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Neues Forschungsprojekt zum Laser-Pulverauftragsschweißen auf dreidimensionalen Kunststoffsubstraten

Die AiF fördert das Vorhaben „ Charakterisierung des Laser-Pulverauftragsschweißens für die schnelle, flexible und direkte Erzeugung leitfähiger Strukturen auf dreidimensionalen Kunststoffsubstraten – CLADMID“

Trotz des vorhandenen Technologie-Potenzials und Applikationsmöglichkeiten von 3D-MID in der Automobilelektronik, der Telekommunikationsbranche, der Medizin- und Industrietechnik existieren gegenwärtig wirtschaftliche und technologische Hürden, die insbesondere den Einstieg kleiner und mittlerer Unternehmen in dieses innovative Technologiefeld erschweren. Hierbei handelt es sich um lange Prozesszeiten, hohe Prozesskosten, teure Anlagentechnik, ein überschaubares Werkstoffspektrum und abhängig vom Herstellungsverfahren Limitierungen in der räumlichen Gestaltungsfreiheit der Schaltungsträger. Insbesondere die in der Industrie etablierten Verfahren zum Aufbringen der Leiterbahnen auf den Oberflächen der Kunststoffformteile wie z. B. die LPKF-Laserdirektstrukturierung (LPKF-LDS®), das Zweikomponentenspritzgießen (2K-Spritzguss), das MID-Heißprägen oder das Folienhinterspritzen tragen aufgrund ihrer mehrstufigen Prozessketten, sowie hohen Prozess- und Werkzeugkosten zu den aufgeführten Hürden bei.

Als Lösungsansatz der oben aufgeführten Hürden soll im Rahmen dieses Forschungsvorhaben das Laser-Pulverauftragschweißen, welches auch bekannt ist unter den englischen Bezeichnungen Laser Metal Deposition (LMD) oder Laser Cladding by powder injection, für die schnelle, flexible und direkte Herstellung leitfähiger Strukturen auf MID-relevanten Kunststoffsubstraten charakterisiert werden. Das Prinzip des Laser-Pulverauftragschweißens ist in Abb.1 a schematisch dargestellt. Hierbei wird durch einen fokussierten Laserstrahl die Oberfläche eines in der Regel metallischen Substrats selektiv aufgeschmolzen. Gleichzeitig wird ein Metallpulver durch eine lateral oder koaxial zum Laserstrahl orientierte Pulverdüse und unter Verwendung eines chemisch reaktionsarmen Inertgas in das erzeugte Schmelzbad zugeführt. Im Ergebnis bildet sich ein gemeinsames Schmelzbad aus Substrat- und Pulverwerkstoff aus, welches nach Abkühlung und Erstarrung eine Schweißraupe auf der Substrat- bzw. Werkstückoberfläche ausformt.

 

Im Rahmen des BMBF-Forschungsprojekts „RAPID-Microtooling mit laserbasierten Verfahren“ konnten Wissenschaftler des Laserzentrums Mittweida zudem erstmals Kunststoff mit Metall kombinieren. In diesem Zusammenhang wurden dreidimensionale Gitterstrukturen aus Edelstahl (1.404) auf PVC-Substrate generativ durch Laser-Pulverauftragschweißen aufgebaut. Im Gegensatz zum additiven Aufbau metallischer Strukturen auf metallischen Substraten, bei denen die Haftung der additiv aufgebrachten Struktur zum Substrat auf einer schmelzmetallurgischen Verbindung beruht, ist hier die Haftung des Edelstahlgitters vermutlich auf eine mechanische Verkeilung und daraus resultierend eine formschlüssige Verbindung zur Kunststoffoberfläche zurückzuführen.

Ein tiefgründiges Prozessverständnis für das Kombinieren von Kunststoffen und Metallen mittels Laser-Pulverauftragschweißen ist gegenwärtig jedoch noch nicht vorhanden und bedarf weiterer wissenschaftlicher Untersuchungen hinsichtlich auftretender Effekte und Wechselwirkungsmechanismen der eingesetzten Prozessführung sowie realisierbarer MID-relevanter Metall/Kunststoff-Kombinationen. Das Projekt CLADMID soll diesen Forschungsbedarf Rechnung tragen.

Das IGF-Vorhaben 18097 der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V. wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Bearbeitung des Projektes erfolgt durch die Forschungsstelle LPT (Lehrstuhl für Photonische Technologien, Prof. Dr.-Ing. Michael Schmidt) in Kooperation mit der Forschungsstelle FAPS (Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik, Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Die anspruchsvolle technologische Entwicklung soll in enger Zusammenarbeit mit dem projektbegleitenden Ausschuss durchgeführt werden, der sich in einem ausgewogenen Verhältnis aus Technologieanbietern, Technologieanwendern und Pulverherstellern zusammensetzt.

 

Kontakt:

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)

Lehrstuhl für Photonische Technologien (LPT)

Konrad-Zuse Str. 3/5

D-91052 Erlangen

Leiter der Forschungsstelle: Prof. Dr.-Ing. M. Schmidt

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. M. Schmidt

 

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)

Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS)

Egerlandstraße 7-9

D-91058 Erlangen

Leiter der Forschungsstelle: Prof. Dr.-Ing. J. Franke

Projektleiter: Dipl.-Ing. S. Härter

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