Projektskizze: Laseraktivierung gedruckter Metall-Polymer-Komposite (LaMP)

Forschungsziel

Erzeugung einer durchgängigen, metallischen Struktur an der Oberfläche gedruckter Metall-Polymer-Komposite, wodurch die elektrische Leitfähigkeit der gedruckten Kompositstruktur erhöht wird.

• Formulierung von verdruckbaren Metall-Polymer-Kompositen (Dickschicht), welche sowohl mittels digitaler als auch maskenbasierter Druckverfahren verarbeitbar sind
• Einstellung der Funktionalität der gedruckten Strukturen durch Laserbearbeitung
• Verarbeitbarkeit von oxidationsempfindlichen Materialien durch laserbasierten Sinterprozess
• Nutzbarkeit von Substraten mit eingeschränkter Temperaturbeständigkeit durch laserbasierten Sinterprozess

Angestrebte Forschungsergebnisse

• Erweiterung des verfügbaren Spektrums an verdruckbaren metallischen Pasten um Reinelement- (z.B. Kupfer) und spezielle Legierungsmaterial-Pasten (z.B. CuNiMn)
• Signifikante Verbesserung der Eigenschaften aktuell verfügbarer Pasten durch eine Lasernachbehandlung

Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse

• Erweiterung der Dickschichtdrucktechnologie hin zu neuen Metallpulverlegierungen und temperatursensiblen Basissubtraten
• Etablierung des laserbasierten Sinterverfahrens für gedruckte Dickschichtelektronik
• Vereinigung der Drucktechnologie und der Sinterverfahren in der Anlagentechnik zur Erzeugung von 3D-Bauteilen

Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels

• Hinsichtlich des laserbasierten Sinterverfahrens werden zwei Ansätze verfolgt:
  • Einstufiger Prozess: Energieeintrag ist ausreichend, um das Polymer zu zersetzen und die metallische Komponente im gleichen Bearbeitungsgang zu sintern
  • zweistufiger Prozess: Energieeintrag zunächst so gewählt, dass die Polymermatrix zersetzt wird. Im zweiten Bearbeitungsschritt erfolgt, mit höherem Energieeintrag, die Sinterung der metallischen Bauteile
• Variation der metallischen Partikel in den verdruckten Pasten:
  • Einflüsse der Morphologie auf Sinterverhalten
  • Einflüsse der Mischung von mikro- und nanoskaligen Pulvermischungen auf Sinterverhalten

1. Herstellung und Charakterisierung von Metall-Polymer-Kompositen
2. Drucken auf temperatursensiblen Subtraten
3. Laserbearbeitung von Metall-Polymer Kompositen
4. Etablierung von Laserbearbeitungsprozessen
5. Charakterisierung nach der Laserbearbeitung
6. Demonstratorfertigung
7. Dokumentation

Umsetzbarkeit und Transfer der Ergebnisse

Ein wirtschaftlicher Nutzen für die Unternehmen, speziell für KMUs und die pbA beteiligten Unternehmen, entsteht in folgenden Bereichen:

• die gewählten Fertigungstechnologien (Siebdruck, Dispenstechnik, Lasersystem) sind allesamt großserientauglich – kostengünstige und serienfähige industrielle Anwendung
• alle verwendeten Technologien sind bereits etabliert, so dass der Markt an Herstellern der verschiedenen verwendeten Technologien breit gefächert ist und eine gute leistungsgerechte Verfügbarkeit an Geräten gegeben ist
• Ansatz der additiven Fertigung stellt einen großen Vorteil hinsichtlich einer zukunftsfähigen energie- und ressourcenschonenden Fertigungstechnologie dar
• Relevanz der Thematik ist durch Veröffentlichungen in anwendungsorientierten und wissenschaftlichen Fachzeitschriften, sowie durch Vorträge auf einschlägigen Veranstaltungen der breiten Öffentlichkeit zu kommunizieren.
• Abhaltung von Workshops der beteiligten Institute, um die Erkenntnisse einem Fachpublikum vorzustellen

Voraussichtliche Nutzung der angestrebten Forschungsergebnisse in KMU

Entwicklung neuer Produkte / Verbesserung bestehender Produkte, z.B:

• Erhöhung der maximalen elektrischen Leistungsübertragung gedruckter Leiterbahnen
• Optimierung resistiver PT-Temperatursensoren auf PET-Substrat
• Entwicklung neuer Technologien: gedruckte Thermoelemente auf PET-Substrat

Voraussichtlicher Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU

• Erweiterung des Materialportfolios an metallischen Pasten um spezielle Legierungsmaterialien, um damit neue Anwendungsbereiche für gedruckte, leitfähige Funktionsstrukturen in verschiedensten Branchen zu erschließen
• Erweiterung der nutzbaren (temperatursensiblen) Basissubtrate
• Einsatz des laserinduzierten Sinterverfahrens ermöglicht drucktechnische Verarbeitung oxidationsempfindlicher Legierungsmaterialien
• Verbesserung der elektrischen Eigenschaften vorhandener Pastenmaterialien (z.B. Silberpasten) ermöglicht neue Anwendungsmöglichkeiten
• Direkte drucktechnische Funktionalisierung von 3D-Bauteilen

Voraussichtliche industrielle Umsetzung der FuE-Ergebnisse nach Projektende

• verbesserte Einzelkomponenten und Systeme in Hinsicht auf Energieeffizienz, Wärmeverluste und erhöhte Integrierbarkeit
• neue Materialien ermöglichen zusätzliche Anwendungsmöglichkeiten im Bereich gedruckter Elektronik, bspw. Sensoren (Temperatur, Kraft, Gasdetektion) oder auch Aktoren (Heizstrukturen, Schalter)

Forschungseinrichtungen

IFAM – Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung

Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr.-Ing. M. Busse

matthias.busse@ifam.fraunhofer.de

Wiener Str. 12
28359 Bremen

BIAS – Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH

Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr.-Ing. F. Vollertsen

info-mbs@bias.de

Klagenfurter Str. 5
28359 Bremen

Abbildung: Gedruckte Thermoelemente auf verschiedenen Hochtemperatur-Substraten; Quelle: Fraunhofer IFAM