Bauelemente 3D-Druck
Bauelemente 3D-Druck für hochfrequenztechnische Anwendungen Der 3D-Druck wurde mittlerweile zur Schlüsseltechnologie für moderne Fertigungsverfahren entwickelt, welche die zukünftige industrielle Fertigung revolutionieren sollte. Bild 1: Versuchsaufbau des neuen Druckverfahrens Autoren: Prof. Rainer Kronberger, Prof. Stefan Grünwald, Volker Wienstroer, Andre Büter, Vincent Tsatsos, alle Technische Hochschule Köln, Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Rainer Kronberger, Labor für Hochfrequenztechnik/Institut für Nachrichtentechnik, www.hf-lab-koeln.de/ www.th-koeln.de Die Herstellung von planaren Leitungsstrukturen oder Antennen für Hochfrequenz- und Mikrowellenanwendungen erfolgt üblicherweise mit gängiger Leiterplattentechnologie. Dies ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Fertigung, gleichzeitig verbunden mit einer angemessenen Flexibilität bei Strukturänderungen. Moderne Rapid-Prototype-Systeme ermöglichen mittlerweile die rasche Herstellung solcher Platinen für Entwicklungszwecke und sind deshalb sehr beliebt bei Entwicklungsabteilungen und Forschungseinrichtungen. Vorteile mit 3D Insbesondere für Antennen besteht oft die Notwendigkeit, auch dreidimensionale Strukturen einfach und schnell herzustellen. Für rein mechanische Anwendungen und daraus abgeleitet auch für viele andere Technologie- und Lebensbereiche hat sich zur Lösung vielfältiger Probleme hieraus der 3D-Druck (Additive Fertigung oder auch Additive Manufacturing), mittlerweile zur Schlüsseltechnologie für moderne Fertigungsverfahren entwickelt, welche die zukünftige industrielle Fertigung revolutionieren wird. Damit ist es naheliegend, derartige Methoden auch für die Entwicklung elektronischer Produkte und Baugruppen (printed electronics) einzusetzen. Dies wird getrieben durch Industrie 4.0, das Internet of Things (IoT) und die neuen 5G-Mobilfunktechnologie, verbunden mit der permanent steigenden Nachfrage nach immer kleineren, smarten Produkten. Wissenschaft und Industrie arbeitet deshalb weltweit an innovativen Lösungen neuartiger additiver Fertigungsverfahren zur Integration elektronischer Bauteile, Antennen, Leiterbahnen und Anschlüsse in elektrisch nichtleitende Trägerstrukturen oder Gehäuseteile, s. z.B. [1] bis [3]. Der Druck elektrisch leitender Strukturen auf oder in diese Gehäuseteile ist momentan aber noch sehr aufwändig und kompliziert (z.B. Materialkosten, Sinterprozess zur thermischen Nachbehandlung etc.). Somit besteht ein hohes Interesse der Industrie, verbunden mit viel Entwicklungspotenzial, zur Realisierung eines einfachen, schnellen und kostengünstigen Verfahrens für die additive Fertigung mit synchroner Herstellung leitender Strukturen auf sowie in nichtleitenden Trägermaterialien zur Anbindung an Elektronikmodule. Vereinfachen und reduzieren Bei der Betrachtung aktueller Verfahren stehen vor allem die 18 hf-praxis 11/2020
Bauelemente Bild 2: Simulationsmodell der planaren Antenne, auf PLA gedruckt Vereinfachung des Gesamtprozesses und die Reduzierung der Prozessdauer im Vordergrund. Diese Herausforderung ist durch die thermische Nachbehandlung, die bei leitfähigen Strukturen oftmals erforderlich ist, und den damit in Verbindung stehenden Prozessschritten jedoch nur schwer zu realisieren. In Anbetracht dessen hat ein Team der Technischen Hochschule Köln eine Lösung entwickelt, die thermische Nachbehandlung und die additive Fertigung zu vereinen. Mit einem handelsüblichen 3D-Drucker wird in zunächst gewohnter Weise das nichtleitende Trägermaterial aufgebracht und dabei nahezu gleichzeitig auch an gezielten Stellen des Druckteils eine leitfähige Paste ein- bzw. aufgebracht, welche normalerweise thermisch nachbehandelt werden müsste. Thermische Nachbehandlung Übliche Herangehensweisen zur thermischen Nachbehandlung basieren bislang auf Heiz- und UV-Strahlern, Infrarot-Systemen, Öfen oder anderen externen Wärmequellen. Im hier vorgestellten Prozess besteht bei der Verwendung der FDM-Technologie als additives Fertigungsverfahren nun die Möglichkeit, gleichzeitig die vorhandene Wärmeenergie des verdruckten Materials, d.h. Filaments zur Nachbehandlung zu verwenden. Dabei muss gewährleistet werden, dass die leitfähige Tinte oder Paste direkt im Bereich der Extruderdüse zugeführt wird. Die thermische Nachbehandlung erfolgt demnach unverzüglich durch die Wärmeübertragung durch das heiße Filament, wodurch die leitfähige Klebepaste unmittelbar ausgehärtet wird. Leiterstrukturen können damit integrativ in den schichtartigen Aufbau eines Gehäuses oder einer Trägerstruktur eingebracht werden. Irreversible Verformungen sowie Strukturschäden durch einen überhöhten nachträglichen externen Wärmeeintrag können somit vermieden werden. Darüber hinaus entfällt weiterhin die Entnahme des gedruckten Bauteils während des Aufbauprozesses, wodurch die Fehleranfälligkeit hinsichtlich der geforderten Geometrie signifikant reduziert wird. Der mechanische Aufbau umfasst als Hauptkomponente einen FDM-Drucker, an dem der Nadeldispenser im direkten Umfeld der auf ca. 200 °C temperierten Extruderdüse angebracht ist (Bild 1). Weiterhin verfügt der Aufbau eine separat angebundene Druckluft-Kühleinheit, wodurch die vorzeitige Sinterung der leitfähigen Flüssigkeit im Nadeldispenser vermieden wird Diese Erweiterung der klassischen FDM-Technologie durch ein separates Dosiersystem eröffnet damit Möglichkeit, auch innenliegende leitfähige Strukturen in jeder Schicht des Bauteils zu erstellen. Komplexe Bauteilgeometrien mit zusätzlichen elektronischen Funktionen, beispielsweise in Form von Antennen, Leiterbahnen, Abschirmungen oder anderweitigen Sensorstrukturen können somit in einem Schritt multifunktional hergestellt werden. Anwendungsbeispiele Vorteilhafte Anwendungen des Verfahrens findet man z.B. in der Hochfrequenztechnik zur Herstellung von integrierten Antennen. Aufgrund der permanent ansteigenden Forderung nach Vernetzung und Kommunikation in nahezu unbegrenzte Weise und täglich neuen Anwendungsfällen, steigt damit gleichzeitig der Bedarf an Elektronik und Kommunikationsmodulen, verbunden mit der Notwendigkeit von integrierten Antennen und Leiterstrukturen. Derartige Antennen sind bereits jetzt oftmals kostengünstig als gedruckte Leiterstrukturen auf der vorhandenen Leiterplatte ausgeführt. Immer öfters erfordern die technischen Anforderungen allerdings Antennen, die randnah oder dreidimensional ausgeführt werden müssen. Stand der Technik sind hierbei durch Galvanisieren oder Gasphasenabscheidung (vapor deposition) auf Kunststoffkörpern aufge- Bild 3: Messung und Simulation der gedruckten Antenne hf-praxis 11/2020 19
