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Fünf spannende Projekte mit 3D-gedruckter Elektronik

| Autor / Redakteur: Rick Reynolds, All3DP.com / Peter Reinhardt

Eine 3D-gedruckte Leiterplatte für einen HF-Verstärker.
Eine 3D-gedruckte Leiterplatte für einen HF-Verstärker. (Bild: thefabricator.com)

3D-gedruckte elektronische Komponenten und Schaltungen werden zur Realität. Dieser Beitrag stellt fünf Beispiele vor, die bereits kommerziell taugliche Prozesse zur Herstellung von gedruckten elektronischen Grundkomponenten, Schaltungen und Leiterplatten demonstrieren.

Medizintechnikhersteller sind unglaublich innovativ – und es gibt auch durchaus schon Beispiele von 3D-gedruckter Medizinelektronik. Aber auch in anderen Branchen wird gute Arbeit geleistet. Es kann sich also durchaus lohnen, ab und an auch mal über den Tellerrand hinaus zu blicken. Fünf Beispiele zum Anregen und gegebenenfalls Nachahmen:

1. Nano Dimension und Harris Corp: 3D-gedruckte Leiterplatten

Mit einem spezialisierten 3D-Drucker fertigt die Harris Corporation, ein führendes Kommunikationsunternehmen, erfolgreich seine eigene 3D-gedruckte Elektronik für Hochfrequenz-(RF)-Bauteile. Die hierfür verwendete Drucker, ein Dragonfly Pro 2020, stammt von Nano Dimension, einem führenden Anbieter von additiv gefertiger Elektronik.

Erste Tests zeigten, dass die Leistung dieser 3D gedruckten HF-Leiterplatten (printed circuit boards, PCB) mit der von konventionell hergestellten Schaltungen vergleichbar ist. Die Harris Corporation präsentierte seine Erkenntnisse auf dem IEEE Radio and Wireless Symposium im Januar 2019.

Eines der gedruckten Komponenten ist eine Leiterplatte, die zur Herstellung von HF-Verstärkern verwendet wird. Diese Platine verfügt auch über eine integrierte, 3D-gedruckte Antenne. Amit Dror, CEO von Nano Dimension, gibt an, dass dieser Durchbruch ein schnelleres Prototyping bei gleichzeitiger Senkung der Forschungs- und Entwicklungskosten ermöglicht. Dies ermögliche es, mehr Proof-of-Concept für Tests zu erstellen.

Hinzu kommen produktspezifische Vorteile. Der 3D-Druck der Leiterplatten ermöglicht es, kleinere und leichtere Antennen und Schaltkreisen zu entwickeln. Auch das Packaging wird durch flexible Schaltungen sowie der geringeren Zahl an Kabeln und Steckern vereinfacht.

Nano Dimension hat bereits Mittel gesammelt um seine Technologie für gedruckten 3D-Elektronik, dem so genannten 3DPE, weiterzuentwickeln. In Zusammenarbeit mit Harris Corp will das Unternehmen den 3D-Druck von doppelseitigen Leiterplatten und Mehrlagenschaltungen demonstrieren. Ziel ist es, Größe, Gewicht, Leistung und Kosten von Schaltkreisen zu reduzieren, die für die digitalen Leistungs- und HF-Signale für die im Weltraum eingesetzten Kommunikationssysteme von Harris eingesetzt werden.

„Die Fähigkeit, HF-Systeme im eigenen Haus herzustellen, bietet ein aufregendes neues Mittel für schnelles und kostengünstiges Prototyping und Serienfertigung,“ sagt Dr. Arthur C. Paolella von Harris Corp. „Die Ergebnisse der Studie seien eine wesentliche Motivation für die Weiterentwicklung der 3D-Druckelektronik.“

Mehr über die Arbeit der beiden Unternehmen, einschließlich der Möglichkeiten der Elektronik im All, können Sie auf der Website der Harris Corp erfahren.

2. Optomec: Aerosol-Jet-Technologie

Das in New Mexico ansässige Unternehmen Optomec ist ein Hersteller und Vertreiber von 3D-Druckern für elektronische Bauteile. Die Firma hat eine Aerosol-Jet-basierte 3D-Drucktechnologie entwickelt, die in der Lage ist, Verbindungen, Leiterbahnen und sogar passive und aktive Komponenten auf 2D- und 3D-Substraten zu drucken. Optomec gibt an, damit erfolgreich Widerstände, Kondensatoren, Antennen, Sensoren und Dünnschichttransistoren gedruckt zu haben.

Das Aerosol Jet 3D-Druckverfahren erlaubt es den Elektronikdruckern von Optomec, auf einer Vielzahl von Substraten zu drucken, darunter Kunststoffe, Keramik und Metallstrukturen. Sie sollen auch in der Lage sein, auf komplexe Geometrien zu drucken. Mit diesem Verfahren druckt das Unternehmen 3D-konforme Antennen direkt auf Gehäuse von mobilen Geräten, was die Komplexität, die Anzahl der Teile und die Kosten dieser Geräte reduziert.

Optomec plant auch, sich intensiv mit dem Internet der Dinge (IoT) zu beschäftigen. Für solche „smart connected devices“ besteht ein inhärenter Bedarf an Sensoren und Antennen. Der Prozess von Optomec ermöglicht ein schnelles Design und Prototyping von IoT-Geräten, die diese Anforderungen erfüllen, und bietet eine Lösung für eine Vielzahl von IoT-Anwendungen. Das Unternehmen gibt an, dass ihr Prozess die Fertigungsschritte und die damit verbundenen Kosten reduzieren und eine größere Bandbreite an Materialmöglichkeiten bieten kann.

3. UC Berkeley: Mikroelektronik und schnurlose Sensoren

Ingenieuere der UC Berkley und deren Kollegen haben diverse Systeme zum 3D-Drucken von mikroelektronischen Schaltkreisen entwickelt. In ihrem auf Researchgate veröffentlichten Paper „3D-printed microelectronics for integrated circuitry and passive wireless sensors“ legen sie dar, wie sie dies umsetzen konnten.

Darin berichtet das Team, wie es erfolgreich über 3D-Druck passive mikroelektronische Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten sowie Schaltungen und passive drahtlose Sensoren herstellen konnte. Die Forscher fertigten sogar einen miniaturisierten .53-GHz-Sender, der gleichzeitig als drahtloser Sensor fungiert. Diese speziellen drahtlosen Sensoren hätten sich besonders als Komponenten zur Qualitätskontrolle in der Flüssignahrungsindustrie (z.B. Milch und Saft) bewährt.

Die Strukturen werden in FDM-Technologie, einem Mehrdüsensystem und einer Druckauflösung von 30 μm erstellt. Nach dem Entfernen der Stützstrukturen von den bedruckten Objekten wird eine silberbasierte Suspension eingespritzt und zu Komponenten und Verbindungen verfestigt.

Eine mögliche Verbraucheranwendung ist das, was das Team den „Smart Cap“ nennt, wie es in der Kappe auf Ihrer Milch- oder Saftverpackung steht. Ihr flüssiger Lebensmittelkartonverschluss mit integriertem drahtlosen Sensor ist in der Lage, die Frische des Inhalts zu ermitteln und zu melden.

4. Duke University: Leitfähige thermoplastische Materialien

Ingenieure der Duke University arbeiten an 3D-gedruckten elektronischen Komponenten mit Dual-Material-FDM-Technologie. Ihr Schwerpunkt liegt auf leitfähigen thermoplastischen 3D-Druckfilamenten, die mit Graphen, Ruß und Kupfer angereichert sind.

Laut ihrer (öffentlich einsehbaren) Studie „3D printing electronic components and circuits with conductive thermoplastic filament“ sind dem Team dabei einige sehr positive Ergebnisse gelungen. So waren Sie in der Lage, 3D-gedruckte Widerstände mit Werten von drei Größenordnungen zu produzieren.

Während sich die Graphen- und Rußwerkstoffe als etwas spröde erwiesen haben, ist der mit Kupfer eingeschmolzene Filament wesentlich widerstandsfähiger. 3D-gedruckte Kupferbauteile und Leiterbahnen von Leiterplatten können demnach über 500 Mal gebogen werden, ohne zu brechen oder die Widerstandswerte zu verändern. Dies macht den 3D-Druck von elastischen flexiblen Schaltungen und Komponenten zu einer echten Möglichkeit.

Die Studie zeigte auch, dass mit Kupfer verschmolzene thermoplastische Filamente bei Frequenzen von mehr als 1 MHz Impedanzen ähnlich wie herkömmliche Kupferleiterplattenspuren erzeugen können. Dies ist eine Voraussetzung für HF-Anwendungen.

Die gedruckten Kondensatoren und Induktivitäten sind durch Modifikation der Gerätegeometrie und Auswahl des Druckmaterials vorhersagbar abstimmbar. Aus den Komponenten entsteht ein funktionsfähiger Hochpassfilter mit vergleichbaren Eigenschaften wie herkömmliche Pendants.

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5. Adham Rabah: Leiterplatten im Eigenbau

Das hier aufgeführte Projekt fällt nicht in den Bereich von Industrie oder Forschung, zeigt aber, dass die gedruckte 3D-Elektronik bereits in den Hobby- und Herstellerbereich vorgedrungen ist. Ein Beispiel sind die 3D-Druckplatten von Adham Rabah, die er mit einem selbst gebauten 3D-Drucker herstellte.

Adham gibt an, dass er viele Versuche über einen Zeitraum von einem Jahr gebraucht hat, um eine zuverlässige Methode zu entwickeln. Er probierte viele verschiedene Druckmaterialien aus, baute Oberflächenhaftmittel und Slicer-Konfigurationen, um eine Kombination zu finden, die funktionierte.

Mit einer Hybridmethode, die neue und alte Prozesse integriert, erstellt Adham PCBs aus kupferkaschierten Phenolplatten. Inzwischen fertigt er kupferkaschierte Boards für das Ätzen von Leiterplatten, indem er Standard-PLA-Filamente verwendet. Normalerweise würde dies mehrere zusätzliche Schritte erfordern, aber in diesem Fall werden sie durch einen 3D-Drucker ersetzt.

Der erste Schritt ist die Erstellung einer Acetat-Maske der Schaltkreise. Selbst das einfache Erstellen einer solchen Maske erfordert mehrere Schritte. Anschließend wird das Acetatbild mit UV-Licht auf eine spezielle lichtempfindliche kupferkaschierte Platte projiziert. Dies muss in einer ansonsten UV-freien Umgebung erfolgen. Darüber hinaus kann die lichtempfindliche Platte deutlich teurer sein als die bei Adhams Verfahren verwendete Standardplatte. Das macht seine Methode weniger zeitaufwendig und kostengünstiger. Eine großartige Kombination für kostengünstigere Rapid Electronics Prototyping auf Herstellerebene.

* Rick Reynolds ist Mitglied der Content Academy von All3DP und schreibt Beiträge für All3DP.com.

Dieser Text ist eine Übersetzung des Beitrags "3D Printed Electronics – 5 Most Advanced Companies" von All3DP.com und wurde lizenziert nach Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0). Er ist erschienen im Medizintechnikkanal auf unserem Schwesterportal www.elektronikpraxis.vogel.de.

Weitere Artikel über Auftragsfertigung und Fertigungseinrichtungen finden Sie in unserem Themenkanal Fertigung.

Weitere Artikel über OEM-Komponenten und Werkstoffe finden Sie in unserem Themenkanal Konstruktion.

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