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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen mit integrierter Leiterbildstruktur mittels additiver Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing) aus einem elektrisch leitfähigen und einem nicht leitfähigen Material, bei dem das elektrisch leitfähige Material so an der Oberfläche beschaffen ist, dass dort selektiv eine durch und durch metallische Schicht durch einen chemischen oder galvanischen Prozess angelagert werden kann gemäß Anspruch 1. Die Erfindung betrifft auch ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes, dreidimensionales Objekt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Nutzung von Hochtemperaturthermoplasten und deren strukturierte Metallisierung eröffnet der Elektronikindustrie eine neue Dimension von Schaltungsträgern: räumliche spritzgegossene Schaltungsträger (Molded Interconnect Devices, MID). MID sind Formteile mit integrierter Leiterbildstruktur. Sie schaffen enorme technische Rationalisierungspotenziale und sind wesentlich umweltverträglicher als herkömmliche Leiterplatten, die sie jedoch nicht ablösen, sondern sinnvoll ergänzen.
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Wesentliche Einsatzgebiete für die MID Technologie sind die Automobilelektronik und die Telekommunikation, daneben aber z. B. auch Computer, Hausgeräte oder die Medizintechnik. Derzeit weist der Markt ein jährliches Wachstum in Höhe von etwa 20% auf.
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Bei dieser Erfindung geht es darum, Prototypen und Kleinserien dieser MID durch additive Fertigungsverfahren ohne den Einsatz von Werkzeugen zu erzeugen. Der räumliche spritzgegossene Schaltungsträger setzt sich aus dem 3D-Modell des Schaltungsträgers und dem 3D-Schaltungslayout zusammen.
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Im Wesentlichen werden 3 Prozessschritte zur Herstellung von MIDs benötigt:
- 1. Herstellung des Schaltungsträgers
- a. Einkomponentenspritzguss
- b. Zweikomponentenspritzguss
- c. Insert Molding (Hinterspritzen der Schaltung/Leiterbahnen)
- 2. Strukturierung des Schaltungsträgers
- 3. Metallisierung des Schaltungsträgers
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Die unterschiedlichen Herstellungsverfahren sind im Detail in der einschlägigen Fachliteratur zu MIDs nachzulesen.
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Alle Verfahren haben gemein, dass bei dreidimensionalen Formteilen ein Spritzgusswerkzeug für den Schaltungsträger hergestellt werden muss und das Schaltungslayout entweder durch ein zweites, elektrisch leitfähiges Material strukturiert wird oder das Formteilmaterial entsprechend dem Layout leitfähig gemacht wird, um anschließend metallisiert werden zu können.
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Bei dieser großen Anzahl von komplexen Fertigungsschritten sind kleine Stückzahlen nicht wirtschaftlich und die Herstellung von Prototypen ist auf Grund der hohen Werkzeugkosten und der langen Fertigungszeiten kosten- und zeitaufwendig.
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Um die Herstellung von Prototypen und Kleinserien zu beschleunigen und bezahlbar zu machen, bieten sich additive Fertigungsverfahren an, bei denen multiple Materialien in einem Bauprozess eingesetzt werden können.
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In den beiden US-amerikanischen Patentschriften
US 2014/0 036 455 A1 – ”System and Method for Additive Manufacturing of an Object” und
US 2010/0 127 433 A1 – ”Methods and Systems for Integrating Fluid Dispensing Technology with Stereolithography” werden bereits Prozesse beschrieben, wie elektrisch leitfähige Materialen in den 3D-Druck-Prozess integriert werden, um elektrisch leitende Strukturen innerhalb eines additiv gefertigten Bauteils zu erzeugen.
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Da es sich bei diesen Strukturen nicht um reine metallische Strukturen handelt, haben sie einen hohen Innenwiderstand und können so nur bedingt für klassische Leiterbahn-Funktionen, wie sie auf Leiterplatten zu finden sind, eingesetzt werden.
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Im Rahmen dieser Erfindung soll als elektrisch leitfähiges Material eine TCO Tinte (TCO = Transparent Conducting Oxcides/Transparent leitfähige Oxide) eingesetzt werden, die vom Leibnitz-Institut für neue Materialien (INM) entwickelt und so angepasst ist, dass sie sich zum einen wie in der Patentanmeldung US 2014/0 036 455 A1 beschrieben in einem auf Photopolymerisation basierenden, additiven Fertigungsverfahren verabeiten läßt und zum anderen entsprechend günstige Eigenschaften für den nachgestellten, galvanischen Prozess zur Metallabscheidung und Anhaftung bietet.
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Die TCO-Tinten enthalten Nanopartikel aus transparenten, leitfähigen Oxiden und werden über nasschemische Prozesse hergestellt. Üblicherweise werden TCOs mittels Vakuumbeschichtung, wie z. B. Sputtern, aufgetragen. Diese neu vom INM entwickelte Methode ermöglicht erstmals den Direktdruck von transparenten Leiterstrukturen auf festen und/oder flexiblen Substrate, wie z. B. Kunststofffolien. Die TCO-Tinte kann z. B. im Tiefdruckverfahren aufgetragen und bei < 150°C mittels UV-Strahlung fixiert bzw. ausgehärtet werden.
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In der amerikanischen Patentanmeldung von Apple US 2013/0 342 592 A1 „Inkjet printer for printing an a three-dimensional object and related apparatus and method” wird vom Bedrucken eines dreidimensionalen Körpers mit leitfähiger Tinte mittels eines Tintenstrahldruckers gesprochen.
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Diese Erfindung basiert darauf, die elektrisch leitfähige und mittels UV-Strahlung aushärtbare TCO-Tinte innerhalb eines Additive Manufacturing Verfahrens zur dreidimensionalen Strukturierung der Leiterbildstruktur einzusetzen, um in Anschluß einen Galvanikprozess zur Abscheidung von hochleitfähigen Metallen, wie z. B. Kupfer oder Gold zur Erzeugung von dauerhaften Leiterbahen zu ermöglichen.
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Die Auswahl der Additive Manufacturing Verfahren in dieser Patentschrift wird auf die Technologien eingeschränkt, bei denen offensichtlich entweder „Tinten” oder flüssige Materialien, wie z. B. Photopolymere, verarbeitet werden, eingeschränkt:
- – Drop-On-Powder Technologie
- – PolyJet Technologie
- – 3D-DLP-Printing-Technologie
- – Stereolithographie
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Bei der Drop-On-Powder Technologie wird über Druckköpfe selektiv Schicht für Schicht ein Binder-Material auf ein Pulverbett (aus Kunststoff, Metall oder Sand) aufgetragen, um dreidimensionale Formteile generativ zu erzeugen. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass keine Stützstrukturen benötigt werden, da das Formteil in einem Pulverbett aufgebaut wird. Außerdem ist das Verfahren günstig, da Standarddruckköpfe aus der Druckindustrie (Tintenstrahldrucker) eingesetzt werden. Diese Technologie wurde von der Firma Z-Corp. zur Serienreife entwickelt und gehört mittlerweile zur 3D-Systems Gruppe.
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Bei der PolyJet-Drucktechnologie können multiple Materialen mit unterschiedlichen Eigenschaften parallel in einem Bauteil verarbeitet werden.
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Bei der PolyJet-Drucktechnologie handelt es sich um eine leistungsstarke additive Verfahrenstechnik, die von Stratasys patentiert wurde,
3D-Drucker mit PolyJet-Technologie ermöglichen dank einer Schichtstärke von 16 Mikrometer und einer Genauigkeit von bis zu 0,1 mm glatte Oberflächen, geringe Wandstärken und komplexe Geometrien. Es handelt sich um die einzige Technologie, bei der sich zahlreiche Materialien mit Eigenschaften von gummiartig bis hin zu fest sowie transparent bis hin zu blickdicht einsetzen lassen.
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Mit der Objet Connex-Technologie lassen sich sogar mehrere Materialien gleichzeitig in einem Teil verarbeiten und auch mehrfarbige Teile erzeugen.
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Auch wären die auf der klassischen Photopolymerisation basierenden Verfahren wie Stereolithographie und 3D-DLP-Printing, bei denen ein lichthärtender Kunststoff selektiv zur Aushärtung kommt, denkbar, sofern mit multiplen Materialien innerhalb eines Baujobs gearbeitet werden kann. Dies ist zum jetzigen Zeitpunkt nicht der Fall, da der/die wechselnde, selektive Materialauftrag/Materialzufuhr noch nicht technisch umgesetzt wurde.
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Auf eine ausführliche Erläuterung dieser bekannten Verfahren wird jedoch zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen verzichtet. Außerdem haben die hier beschriebenen Verfahren keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Prinzipiell kann zur Umsetzung der Erfindung jedes Additive Manufacturing Verfahren eingesetzt werden, bei dem das selektive Auftragen von TCO-Tinten – auch als zusätzlicher Prozess zum eigentlichen Verfahren – möglich und sinnhaft ist, um die in das Formteil integrierten, dreidimensionalen Leiterbildstrukturen zu erzeugen.
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Die Erfindung beruht darauf, das Formteil, bzw. den Schaltungsträger zusammen mit der Schaltung in einem 3D-Druckverfahren herzustellen und dabei für die Erzeugung der dreidimensionalen Leiterbildstruktur die TCO-Tinte in demselben oder einem zusätzlichen Verfahren zu verwenden.
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Dabei kann dann die so erzeugte leitfähige Struktur entweder selbst als Leiterbahn eingesetzt, oder nachträglich zusätzlich metallisiert werden. Letzteres kann chemisch/galvanisch erfolgen.
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Wird die TCO-Tinte über Druckköpfe (Piezo-Verfahren, Drop-On-Demand) verarbeitet, wie z. B. bei dem Drop-On-Powder- oder dem PolyJet-Verfahren, werden aufgrund der eingeschränkten Prozessparameter besondere Anforderungen hinsichtlich Viskosität, Temperaturstabilität und auch Photopolymerisationsverhalten (Lichthärtung) gestellt. Nach dem selektiven Jetten der TCO-Tinte für die Bereiche der Leiterbildstruktur innerhalb einer Schicht wird die TCO-Tinte mittels UV-Licht ausgehärtet, bzw. fixiert.
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Beim PolyJet-Verfahren geschieht dies in demselben Prozessschritt wie die Aushärtung des Formteil- und Stütz-Materials; beide bestehen aus einem Photopolymer.
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Bei dem Drop-On-Powder-Verfahren muss, sofern es sich bei dem eigentlichen Binder-Material nicht um ein Photopolymer handelt, eine zusätzliche Vorrichtung zur Aushärtung der TCO-Tinte, wie z. B. ein UV-Strahler, in das System integriert werden.
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Da es sich bei der TCO-Tinte um ein transparentes Material handelt, kann es aus praktischen Gründen sinnvoll sein, die TCO-Tinte einzufärben, um die Leiterbildstruktur in dem fertig gedruckten Formteil optisch erkennbar zu machen.
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Die unterschiedlichen Bereiche für das selektive Auftragen/Jetten der unterschiedlichen Materialien für Formteil und Schaltungsstruktur werden durch das Zusammenführen entsprechender 3D-CAD-Dateien für Formteil und Schaltungsstruktur vorgegeben, siehe 1.
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Im Europapatent
EP 2 072 223 B1 „Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten aus verschiedenartigen Materialien mittels Rapid Prototyping” wird ein mögliches Verfahren zur Daten-Verarbeitung und -Bereitstellung beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen mit integrierter Leiterbildstruktur mittels additiver Fertigungsverfahren, wie z. B. PolyJet oder Drop-On-Powder, unter Einsatz nicht elektrisch leitfähiger Materialien für das Formteil und einer TCO-Tinte zur Erzeugung der Leiterbildstruktur einzusetzen, wobei die eigentlichen Leiterbahnen durch einen anschließenden chemischen oder galvanischen Prozess durch Ablagern von Metall auf der Leiterbildstruktur erzeugt werden. Somit ist es möglich, sogenannte Molded Interconnected Devices (MID) in kleinen Stückzahlen bis hin zu einem Stück in effizienter Weise herzustellen,
- a) ohne Werkzeuge fertigen zu müssen und
- b) dabei die Anzahl der Fertigungsschritte zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der nebengeordnete Anspruch betrifft ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Objekt.
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Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren des Additive Manufacturing erlaubten bislang nur eine Variation von mechanischen und optischen Eigenschaften, nicht aber von elektrisch leitfähigen Eigenschaften.
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Mittels des in der Erfindung beschriebenen Verfahrens gelingt es nun unter Einsatz der UV-härtenden TCO-Tinte, elektrisch leitfähige Strukturen sowohl oberflächlich als auch innerhalb eines dreidimensionalen Formteils zu generieren, wobei die eigentlichen Leiterbahnen durch einen anschließenden chemischen oder galvanischen Prozess durch Ablagern von Metall auf der Leiterbildstruktur erzeugt werden, um so Formteile mit integrierter Leiterbildstruktur, auch bekannt als Molded Interconnected Devices (MID), in kleinen Stückzahlen kostengünstig und schnell mittels Additive Manufacturing zu erzeugen. Bevorzugte Technologien sind dabei das PolyJet- und das Drop-On-Powder-Verfahren.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden rein beispielhaften und nicht-beschränkenden Beschreibung von Durchführungsformen des Verfahrens, im Zuge welcher auch Details einer entsprechenden Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens offenbart werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt ein Schaubild, in welchem schematisch die Zusammenführung der beiden Datensätze zu dreidimensionalem Formteil (3D-Substrat) und dreidimensionaler Leiterbildstruktur (3D-Schaltungsteil) zu einem gemeinsamen Objekt (3D-MID) dargestellt ist.
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2 zeigt ein Schaubild, in welchem schematisch der Einsatz der TCO-Tinte innerhalb von Drop-On-Powder Verfahren und Vorrichtung dargestellt wird.
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3 zeigt ein Schaubild, in welchem schematisch der Einsatz der TCO-Tinte innerhalb von PolyJet Verfahren und Vorrichtung dargestellt wird.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER DURCHFÜHRUNGSFORMEN
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In 2 wird das klassische Drop-On-Powder Verfahren dargestellt, bei dem der Binder in Form einer Flüssigkeit/Tinte, z. T. auch in unterschiedlichen Farben, in einem Tank vorgehalten und durch einen Tintendruckkopf schichtweise selektiv auf das Pulverbett aufgetragen wird.
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Im Rahmen der Erfindung wird nun ein zusätzlicher Tank und Druckkopf für die TCO-Tinte bereitgestellt und über die Software angesteuert.
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Ein zusätzlich installierter UV-Strahler bewegt sich im Anschluss über die selektiv gebundene Pulverschicht und härtet die TCO-Tinte aus.
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In 3 wird das Poly-Jet Verfahren dargestellt, das den Vorteil hat, dass die TCO-Tinte ähnlich prozessiert wird wie die Materialien (Photopolymere) für Formteil und Stützstruktur. Alle 3 Materialien werden Schicht für Schicht selektiv in Abhängigkeit ihres 3D-Datensatzes mittels eines Drop-On-Demand Druckkopfes aufgetragen und direkt nach dem Auftrag mittels einer UV-Strahlungsquelle ausgehärtet.
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Bei der Stereolithographie, bzw. dem 3D-DLP-Printing bietet sich die Über-Kopf-Methode an, bei der das Bauteil an einer Trägerplatte hängt, die sich Schicht für Schicht nach oben bewegt und das Material durch den transparenten Boden der Materialwanne hindurch belichtet wird. Bei diesen beiden Verfahren werden die Materialien nicht selektiv aufgetragen, sondern mittels Laserstrahl oder Projektionsmaske pro Schicht und Struktur von Formteil und Leiterbild selektiv ausgehärtet. Da hier die Materialien über die gesamte Bauebene in einer Materialwanne (mit transparentem Boden) bereitgestellt werden, müssen die Materialwannen von Formteil-Material und Leiterbild-Material (TCO-Tinte) innerhalb des Generierungsprozesses einer Schicht ausgetauscht und die Schicht in Abhängigkeit der 3D-Datensätze Formteil und Leiterbild belichtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- 3D-Substrat
- 2
- 3D-MID
- 3
- 3D-Schaltungslayout
- 4
- Reservoir für flüssigen Binder
- 5
- Reservoir für TCO-Tinte
- 6
- Elektromagnetische Strahlungsquelle
- 7
- Nevelierwalze für Pulverbett
- 8
- Kammer für Pulver-Zufuhr
- 9
- Hubzylinder für Pulver-Zufuhr
- 10
- Pulverbett
- 11
- Bauraum
- 12
- Elektrisch leitfähige Struktur aus TCO-Tinte
- 13
- Hubzylinder für Pulverbett
- 14
- Bauebene
- 15
- Dreidimensionales Bauteil
- 16
- Tintenstrahl-Druckkopf
- 17
- TCO-Tinten-Druckkopf
- 18
- Partikel-Sammelgefäß
- 19
- Planierfräse
- 20
- Elektromagnetische Strahlungsquelle
- 21
- Bauteil
- 22
- Elektrisch leitfähige Struktur
- 23
- Hubzylinder für Trägerplattform
- 24
- Trägerplattform
- 25
- Reservoir für Baumaterial
- 26
- Reservoir für Stützmaterial
- 27
- Reservoir für TCO-Tinte
- 28
- Stützstruktur aus Stützmaterial
- 29
- Druckköpfe für Baumaterial, Stützmaterial und TCO-Tinte