3D-gedruckte Elektronik: Der Aufstieg der additiven Schaltungsfertigung

Die 3D-Drucktechnologie hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt und ermöglicht es Herstellern, Materialien aufzutragen, um Objekte in der realen Welt aus Spuren zu formen. Ursprünglich war der 3D-Druck ein Werkzeug für die Entwicklung von Prototypen für die Herstellung von Designs und Kunststoffteilen, aber Forscher und Ingenieure nutzen ihn jetzt auch für komplexe Anwendungen wie gedruckte Schaltungen. Auf der Grundlage der additiven Fertigung, die als 3D-Druck bekannt ist, wird gedruckte Elektronik oder die Schichtung von Schaltkreisen und elektronischen Komponenten zur Herstellung funktionsfähiger elektronischer Systeme eingesetzt. Diese neue Technik öffnet die Tür für neue Designlösungen in der Elektronikfertigung, die mit früheren Techniken nicht möglich waren.

Das Aushärten und Sintern oder Sintern von leitenden und nichtleitenden Materialien, die Schicht für Schicht in den exakten Mustern aufgebracht werden, bedeutet, dass eine beliebige Anzahl von Funktionen, die im 3D-Druck erforscht wurden, eingebaut werden können, von Schaltkreisen, Antennen und Sensoren und vielen anderen. Einer der Vorteile von 3D-gedruckter Elektronik ist die Möglichkeit, ein bestimmtes elektronisches Produkt auf Wunsch individuell anzupassen. Sowohl beim Leiterplatten-Layout als auch beim Tragen des Geräts werden die Kosten für die Integration der Komplexität reduziert, und es kann schnell entworfen, getestet und produziert werden.

Diese Fähigkeit zur Massenanpassung eröffnet neue Möglichkeiten für Geräte des Internets der Dinge, medizinische Implantate, Unterhaltungselektronik und andere Branchen, in denen personalisierte Produkte oder Produkte in kleinen Stückzahlen benötigt werden. Präzise Gewebegerüste, Biosensoren und intelligente medizinische Implantate eignen sich besonders gut für additive Schaltkreistechniken.

Mehrere wichtige Materialtechnologien haben bedeutende Fortschritte bei der 3D gedruckte Elektronik. Leitfähige Tinten aus Silber, Gold und Kohlenstoff-Nanoröhrchen ermöglichen es, mit hochauflösenden 3D-Druckern komplizierte Muster elektrischer Leiterbahnen aufzubringen. Es sind auch dielektrische und isolierende Tinten erhältlich, um Leiterbahnen effektiv zu trennen und zu verkapseln. In Kombination mit der Entwicklung von 3D-Druckköpfen mit mehreren Materialien und Extrudern mit mehreren Düsen erleichtern diese Tinten die schichtweise Herstellung von funktionierenden Schaltungen und Geräten.

Die Integration oberflächenmontierter elektronischer Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und integrierter Schaltkreise direkt in 3D-gedruckte Strukturen bringt die gedruckte Elektronik einen Schritt näher an die vollständige Ablösung der traditionellen Fertigung. Mit Hilfe von Pick-and-Place-Robotern können diese passiven und aktiven elektronischen Komponenten nun während oder nach dem Druckprozess automatisch positioniert und befestigt werden. Dies eröffnet Möglichkeiten für den Druck auf echter Systemebene mit eingebetteten Berechnungen, Sensoren und drahtloser Konnektivität.

Die Forscher im Bereich der gedruckten Elektronik sind bestrebt, die Leitfähigkeit, die Auflösung und die Ausbeute durch neue Materialformulierungen und innovative 3D-Druckverfahren zu verbessern. Die Kombination aus mehrachsigem Druck, Aushärtungsmethoden und Online-Qualitätskontrolle wird wahrscheinlich zu fertigen elektronischen Produkten führen, deren Leistung der von traditionell hergestellten Schaltkreisen entspricht. Weitere Arbeiten zur Sensorik in der Düse, zur geschlossenen Prozesssteuerung und zur Verfeinerung des Umgangs mit mehreren Materialien versprechen eine Optimierung Harz 3D-Druck Schaltungen und intelligentes Produktdesign. Fortschritte in diesen Bereichen bedeuten, dass die digitale Herstellung voll funktionsfähiger elektronischer Geräte durch additive Fertigung immer realistischer wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass 3D-gedruckte Elektronik ein sich entwickelnder und vielversprechender Bereich ist, der die Grenzen zwischen Fertigung und Design verwischt. Durch die Integration der additiven Designfreiheit mit der Herstellung funktionaler Schaltkreise ergeben sich nie dagewesene Möglichkeiten für maßgeschneiderte elektronische Produkte, die auf Nischenanwendungen und persönliche Bedürfnisse zugeschnitten sind. Die kontinuierliche Weiterentwicklung von Materialien und Prozessen wird dazu führen, dass sich 3D-gedruckte Elektronik in den kommenden Jahren in vielen Branchen durchsetzt und kommerziell genutzt wird.

Multi-Material 3D gedruckte Elektronik

Herstellung hybrider Schaltkreise mit verschiedenen Materialien

Moderne Multimaterial-3D-Drucker ermöglichen die gleichzeitige Abscheidung von leitenden und nicht leitenden Materialien. Dies ermöglicht:

• Herstellung komplexer elektronischer Komponenten aus verschiedenen Materialien in einem einzigen Druckvorgang, z. B. Metalle, leitfähige Polymere und Isolatoren.
• Herstellung von Hybridschaltungen mit integrierten elektrischen und mechanischen Teilen ohne zusätzliche Montageschritte.
• Konforme Schaltkreisdesigns, die in nicht-planare 3D-Strukturen eingebettet werden können.

Eingebettete Elektronik

Jüngste Forschungen haben Techniken gezeigt, mit denen Drähte, Chips und andere elektronische Komponenten direkt in die 3D gedruckte Thermoplaste während des Herstellungsprozesses. Dadurch können funktionale Schaltkreise in komplexe 3D-Geometrien integriert werden.

Filament-basierte Methoden

Filamentbasierte 3D-Drucker tragen zunächst ein isolierendes Material auf und drucken dann selektiv leitende Spuren mit speziellen Filamenten. Forscher haben neue leitfähige Polymerfilamente für diesen Ansatz entwickelt.

Funktionelle Tinten für gedruckte Schaltkreise

Silber-Nanopartikel-Tinten

Tinten mit Silber-Nanopartikeln bieten eine hohe Leitfähigkeit und Auflösung. Sie werden üblicherweise Nutzung des 3D-Drucks im Aerosol-Jet-, Tintenstrahl- und Extrusionsdruck von flexibler und gedruckter Elektronik. Die mit diesen Tinten hergestellten Leiterbahnen können es mit der Leistung herkömmlich hergestellter Kupferschaltungen aufnehmen.

Graphen/Kohlenstoff-Tinten

Graphen- und Kohlenstofftinten erzeugen kostengünstige, leichte Leiterbahnen. Aufgrund ihrer mechanischen Flexibilität finden sie Anwendung in biegsamen Touchscreens, Wearables und in der Bioelektronik. Die Leitfähigkeit ist jedoch in der Regel geringer als bei Silberdruckfarben. Neue Formulierungen zielen darauf ab, dies für Schaltkreisanwendungen zu verbessern.

Hybride Schaltungen

Um die Einschränkungen von Ansätzen mit nur einem Material zu überwinden, integrieren Forscher den 3D-Druck mit der traditionellen Lithografie. Bei einigen Ansätzen werden Leiterbahnen auf kundenspezifische 3D-Substrate gedruckt, die später mit etablierten lithografischen Techniken bearbeitet werden. Andere betten 3D-gedruckte elektrische Komponenten als eine Schicht in mehrschichtige Hybridschaltungen ein, die sowohl mit additiven als auch subtraktiven Methoden hergestellt werden. Dies erweitert die Komplexität der druckbaren Schaltungen über das hinaus, was derzeit mit dem 3D-Druck allein erreicht werden kann.

Fortschritte bei der Herstellung von 3D-Schaltkreisen

Druck mit höherer Auflösung

Technologische Verbesserungen haben die Möglichkeiten des 3D-Drucks von Elektronik verbessert. 3D-Drucker mit höherer Auflösung können jetzt feinere Leiterbahnen mit einer Größe von unter 100 Mikrometern aufbringen. Dies ermöglicht dichtere und anspruchsvollere Schaltkreisdesigns.

Eingebettete Elektronik

Neue Techniken integrieren aktive Bauteile wie Chips, Sensoren und Energiespeicherkomponenten während des 3D-Drucks direkt in thermoplastische Substrate. Dies ermöglicht die Herstellung voll funktionsfähiger elektronischer Systeme, ohne dass eine Nachbearbeitung erforderlich ist.

Mehrdüsendruck

3D-Drucksysteme mit mehreren Düsen können verschiedene Funktionsmaterialien gleichzeitig auftragen, um die Registrierung zwischen den Komponenten zu verbessern und die Ausbeute zu erhöhen. Isolatoren, Leiterbahnen und aktive 3D-Druck Materialien können präzise platziert werden.

Flexible und dehnbare Leiter

Verarbeitungsinnovationen helfen bei der Herstellung dehnbarer und selbstheilender Leiterbahnen, die flexible und tragbare 3D-gedruckte Elektronik ermöglichen. Schaltkreise können sich jetzt biegen, dehnen und sich möglicherweise von Schäden erholen.

Integration passiver Komponenten

Eingebettete 3D-gedruckte Wellenleiter, Antennen und andere passive Komponenten ermöglichen die additive Herstellung kompakter drahtloser Schaltungen und Internet-of-Things-Geräte. Dies erweitert die Designmöglichkeiten für gedruckte Elektronik.

Anwendungen und zukünftige Trends

Wearables und implantierbare Geräte

3D-konforme Schaltkreise ermöglichen die nahtlose Integration von Elektronik in Kleidung, Prothesen und implantierbare medizinische Geräte durch additive Schaltkreisdesigns.

Intelligente Objekte und IoT

Die Einbettung von Intelligenz und Konnektivität durch 3D-gedruckte Elektronik ermöglicht die Entwicklung neuer Generationen von interaktiven Produkten, Hausautomatisierungssystemen und industriellen Sensoren.

Mikrofluidik und Bioelektronik

Der 3D-Druck ermöglicht die Integration von elektronischen Komponenten mit Fluidikkanälen, Ventilen und Reaktoren für Anwendungen in der chemischen Analyse, der Organ-on-a-Chip-Entwicklung und der personalisierten Medizin.

Luft- und Raumfahrttechnologien

Konforme Leiterplatten ermöglichen ein geringes Gewicht, Widerstandsfähige AvionikSatelliten und Bodenunterstützungssysteme, die für fortschrittliche Anwendungen in der Avionik und der Luft- und Raumfahrt optimiert sind.

Fortschrittliche Technologien

Die Forschung verbessert Multimaterialtechniken, erreicht Druckpräzision im Nanobereich, entwickelt neue Methoden der Selbstmontage und erforscht hybride Fertigungsansätze, um noch anspruchsvollere 3D-gedruckte elektronische Systeme zu realisieren. Das Feld ist bereit, die Elektronikfertigung zu revolutionieren.

Fazit

Die 3D-gedruckte Elektronik hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht und ist in der Lage, verschiedene Branchen in Zukunft drastisch zu beeinflussen. Materialinnovationen haben tragfähige gedruckte Leiterbahnen und dielektrische Tinten ermöglicht, während der Multimaterialdruck nun routinemäßig sowohl passive als auch aktive elektronische Komponenten in komplexe 3D-Geometrien einbettet.

Diese Technologien ermöglichen vollständig kundenspezifische und konforme Schaltungen, die bisher nicht hergestellt werden konnten. Von medizinischen Geräten über Konsumgüter bis hin zur Luft- und Raumfahrttechnik - jede Anwendung, die spezielle elektronische Gehäuse oder Einzelanfertigungen erfordert, ist ein Kandidat für die digitale additive Fertigung. In dem Maße, in dem die Techniken ausgereift sind, wird 3D-gedruckte Elektronik immer enger mit der traditionellen lithografischen Verarbeitung zusammenwachsen, um Lösungen auf Systemebene zu erreichen.

Auflösungen von weniger als 100 Mikrometern übertreffen inzwischen problemlos die Möglichkeiten der konventionellen Leiterplattenherstellung. Die Akzeptanz von 3D-gedruckten Schaltungen wird sich beschleunigen, da die Erträge steigen und 3D Drucker Kosten durch kontinuierliche Prozessverbesserungen verringern. Die Fähigkeit zur Massenanpassung bei geringeren Stückzahlen macht die additive Fertigung für das Internet der Dinge und die personalisierte Medizin besonders interessant. Eine weitere Ausweitung der Anwendungen in der flexiblen und bioelektronischen Industrie wird zu weiteren Innovationen bei den Materialien und Druckverfahren führen.

Es wird erwartet, dass 3D-gedruckte Elektronik innerhalb dieses Jahrzehnts die traditionellen Produktionsmethoden für viele kompakte und komplexe Schaltkreisanwendungen ersetzen wird. In dem Maße, in dem sich die additiven Multimaterialtechniken zur industriellen Reife entwickeln, wird die digitale Fertigung die Entwicklung elektronischer Produkte verändern und die Geräte in großem Maßstab anpassen. Die Designfreiheit und die integrierte Funktionalität des 3D-Drucks ebnen den Weg für intelligente vernetzte Geräte der nächsten Generation.

FAQs

F: Wie unterscheidet sich 3D-gedruckte Elektronik von der traditionellen Fertigung?

A: Es werden additive Verfahren verwendet, um Schaltkreise direkt Schicht für Schicht herzustellen, anstatt sie subtraktiv zu ätzen und zusammenzusetzen. Dies ermöglicht neuartige Designs wie eingebettete/konforme Schaltungen und eine einfache Anpassung.

F: Welche Materialien werden üblicherweise verwendet?

A: Tinten auf Silber-, Kohlenstoff- und Polymerbasis sorgen für leitfähige Spuren, während Kunststoffe wie Thermoplaste als dielektrische Isolatoren zwischen den Spuren fungieren. Fortschritte bei den Nanomaterialien und Tinten erweitern die Bibliothek der druckbaren Materialien.

F: Wie genau können Spuren sein?

A: Führende Technologien können mit hochauflösender Extrusion und Aerosol-Jet Linien bis zu 50 Mikrometer fein drucken. Der registrierte Multimaterialdruck erhöht die Dichte weiter.

F: Wann wird es herkömmliche PCBs übertreffen?

A: Die Vorteile der Mass Customization bedienen bereits Nischenmärkte. Aber die Erträge müssen sich noch verbessern, um innerhalb von 5-10 Jahren die Kosten/Leistungs-Parität zu erreichen, die für großvolumige Verbraucheranwendungen erforderlich ist.