Einbettende Stereolithogrphie - Prozessentwicklung zur Integration von Funktionselementen in mechatronischen Baugruppen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes wird das stückzahlflexible Verfahren der einbettenden Stereolithographie für die Prototypen- und Kleinserienproduktion von mechatronischen Baugruppen grundlegend untersucht und Lösungen für die selektive Bauteil integration erarbeitet. Zu Beginn werden eine Stereoltihographieanlage und ein Dispenssystem in ein Bestücksystem integriert. Darüber hinaus wird eine Software programmiert, womit die Voraussetzungen für eine automatisierte Erzeugung von ESLA Bauteilen während des additiven Prozesses geschaffen werden. Auf Basis von Stereolithographieharzen werden neuartige intrinsisch leitfähige Werkstoffsysteme durch die Dotierung mittels Kupferflakes und Leitfähigkeitsrusspartikel erzeugt und charakterisiert. Trotz der isolierenden Kunststoffmatrix kann durch einen hohen Partikelgehalt eine elektrische Leitfähigkeit von 2 • 10^-3 S m^-1 erzielt werden, das die Verwendung zur Antistatik ermöglicht. Weiterhin wird das photonische Sintern mittels 355 nm Laser von Mikro- und Nanosilberpartikeltinten untersucht. Durch eine angepasste Bestrahlungsstrategie wird eine direkte Erzeugung von Leiterstrukturen nach der Applizierung des Leitmediums erreicht. Der durch thermische Energie angeregte Sinterprozess führt bei Mikropartikeltinten zu einer Verdichtung der Partikelstruktur. Der polymere Anteil des Matrixmaterials polymerisiert, wodurch eine Haftung durch mechanische Adhäsion an den Grenzflächen zum Substrat entsteht. Auf Grund der hohen Oberflächenenergien führt der Sinterprozess mittels Laserbestrahlung bei Nanopartikeltinten zu einer weitaus höheren Verdichtung der Partikelstruktur und zur Ausbildung von Sinterhälsen. Die Haftung der Nanopartikeltinte am Substrat wird wegen der fehlenden polymeren Anteile im Werkstoff durch Plasmavorbehandlung des Substrates erzielt. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit einer Nanopartikeltinte ist in den Untersuchungen im Vergleich zu einer Mikropartikeltinte um bis zu 330-fach höher. Die Möglichkeit zur prozess integrierten Erzeugung von optisch leitfähigen Strukturen wird durch die Venwendung von Ormoceren und selektiver Bestrahlung mittels 355 nm Laser untersucht. Die Faser wird durch die Bildung einer geschlossenen Dammstruktur realisiert, die mittig die transmittierende Kernschicht enthält. Durch die hochviskose Eigenschaft der Ormocere kommt es aktuell noch durch Nivellierungseffekten zu Dislokationen der Kernschicht entlang der Faser. Die Folge ist ein Verlust des transmittierenden Lichtes, wodurch Signale nicht vollständig übertragen werden können. Hinsichtlich der Untersuchung zur prinzipiellen Stabilität der ESLA Baugruppen unter thermischem Belastungsprofil wird ein Simulationsmodell erstellt, das mehrachsige, komplexe Belastungszustände unter Einbindung von viskoelastischem Werkstoffverhalten berücksichtigt. Die Verhinderung der Quer- und Längsdehnung von Funktionsbauteilen in der Bauteilmatrix führt unter thermischer Belastung zu induzierten Spannungen, die lokal durch die Geometrie des Funktionsbauteils erhöht werden können. Eine freie Lagerung der Funktionsbauteile oder eine duktile Zwischenschicht an den kritischen Grenzflächen in der Matrix führt zu einer Reduzierung der induzierten Spannungen und einer Unterbindung von lokal auftretenden Spannungsmaxima. Die Robustheit des Fertigungsprozesses der ESLA ist in erster Linie durch die Zuverlässigkeit aller Einzelprozesse sowie deren automatisierte Abfolge gegeben. Die selektive Integration von Funktionskomponenten in Kavitäten der Matrix führt auf Grund von eingelagertem Restharz zu Problemen in der Positionierung und Kontaktierung. Unter Einbezug von Reinigungsprozessen, Erstellen von Abflusskanälen und Oberflächenmodifikation durch selektive Laserbestrahlung oder Plasmavorbehandlung werden die nötigen Gegebenheiten für eine mechanisch stabile und reproduzierbare Einbettung von Funktionskomponenten geschaffen. Die Zuverlässigkeit der ESLA Baugruppen unter thermischer Belastung hängt somit stark von der Durchführung des Einbettprozesses ab. Der Einfluss von mechanischen Spannungen bei freier Quer- und Längsdehnung von eingebetteten Funktionskomponenten und Medieneinflüssen ist als gering einzustufen und kann als standardmäßig im Vergleich zu anderen Technologien für die Produktion von MlD-Komponenten angesehen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Experimental Investigation of Laser Sintering of Conductive Adhesive for Functional Prototypes Produced by Embedding Stereolithography. In: Proceedings of 11. Internationaler Kongress Molded Interconnect Devices (MID), Fürth, S. 75-81, 2014
Niese, B.; Amend, A.; Urmoneit, U.; Roth, S.; Schmidt, M.
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Manufacturing of conductive circuits for embedding stereolithography by means of conducitve adhesive and laser. In: Physics Procedia Vol. 56, Fürth, S. 336-334, 2014
Niese, B.; Stichel, T.; Amend, P.; Urmoneit, U.; Roth, S.; Schmidt, M.
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Laser Sintering of Silver Ink for generation of embedded electronic circuits in stereolithography parts. In: Proceedings of Lasers in Manufacturing (LiM) Konferenz, München, 2015
Niese, B.; Urmoneit, U.; Amend, A.; Roth, S.
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Untersuchung des Auftrags von Silberpartikeltinte zur Erzeugung von leitfähigen Strukturen für die Einbettende Stereolithographie. In: RTejournal - Forum for Rapid Technologies, 2015
Niese, B.; Urmoneit, U.; Frick, T.; Roth, S.; Schmidt, M.
