Die Bedeutung der additiven Fertigung im Elektronikdesign

Herkömmliche Herstellungsverfahren mit Fotolithografieprozessen weisen erhebliche Nachteile auf, darunter die gefährliche Vorbereitung chemischer Substanzen und die Verwendung von Abfällen aus seltenen Erden. Das Ziel jeder nachhaltigen und effizienten Fertigungstechnologie muss die schnelle Herstellung von Prototypen oder voll funktionsfähigen elektronischen Geräten sein.

Aus diesem Grund besteht ein wachsender Bedarf an additiver Fertigung (AM) in einer Reihe von elektronischen Entwicklungsystemen. Bauelemente wie Transistoren, siliziumgesteuerte Gleichrichter, Dioden, Leuchtdioden (LEDs), Operationsverstärker und passive Bauelemente nutzen aufgrund ihrer Funktionalitäten komplexe Herstellungsverfahren.

Abbildung 1: Creality Ender-3 S1 Pro kann für Gehäuse, Halterungen und Vorrichtungen für Tests und Produktmontage verwendet werden. (Bildquelle: Creality)

Der 3D-Druck elektronischer Komponenten hat das Design und die Fertigung verändert und bietet die Möglichkeit, komplexe Produkte mit mehrschichtigen Funktionen herzustellen. Dieser Ansatz gilt als die nächste Stufe der additiven Fertigung und der gedruckten Elektronik, da er unter anderem Materialabfälle, zeitliche Engpässe und Einrichtungskosten reduziert.

Angesichts der Komplexität der Lieferkette und der dynamischen Anforderungen an elektronische Bauteile können Unternehmen, die additive Fertigung einsetzen, Produktchargen herstellen, die genau der Nachfrage entsprechen, ohne dass ein Überschuss entsteht. Eine solche geplante Produktion erzeugt wiederum weniger Elektronikabfall als subtraktive Fertigungsverfahren.

Additiv gefertigte Elektronik (AME) ist die Lösung für Signalreflexionen und elektromagnetische Störungen innerhalb mehrschichtiger elektronischer Leiterplatten. Additiv gefertigte Elektronik verwendet leitfähige und nicht leitfähige Materialien im selben 3D-Drucksystem, um dreidimensionale Schaltkreise zu erstellen, die in Schutzgehäuse eingebettet werden können. So können Elektronikentwickler von einer effizienten Raumnutzung profitieren, die Verbindungsverluste minimiert und die Gesamtgröße der Leiterplatten reduziert.

Für den Erfolg ist der Einsatz der richtigen 3D-Drucktechnologie erforderlich. So eignet sich beispielsweise FDM häufig für Kosteneffizienz, SLA für feine Details und SLS für stabile Bauteile. Auch die 3D-Druckmaterialien machen einen Unterschied: PLA eignet sich für den Bau einfacher Modelle und ABS für die Herstellung von Teilen mit hoher Haltbarkeit.

Wege, wie Elektronikdesigner den 3D-Druck nutzen

Wenn es um additiv gefertigte Elektronikbauteile geht, gibt es zwei Möglichkeiten: den kontaktbehafteten und den kontaktlosen 3D-Druck. Entwickler können den Kontaktdruck, bei dem die Tinte durch direkten Kontakt zwischen der Tinte und dem Zielsubstrat übertragen wird, für die Herstellung elektronischer Bauteile in industriellem Maßstab nutzen.

Abbildung 2: Das Druckfilament PLA 3D von MG Chemicals eignet sich für hochauflösende Anwendungen, während ABS für Flexibilität und höhere Temperaturbeständigkeit steht. (Bildquelle: MG Chemicals)

Es gibt jedoch einen aufstrebenden Markt für das Rapid Prototyping dieser komplexen elektronischen Schaltungen. Immer mehr Ingenieure entscheiden sich für den kontaktlosen Tintenstrahldruck. Geeignet für die Herstellung von Prototypen mit geringen Stückzahlen für einfache Leiterplatten. Das Verfahren bietet einen hohen Durchsatz und geringere Kosten, leidet aber unter der möglichen Beschädigung der unteren Schicht während des Druckprozesses.

Die Effizienz von additiver Fertigung hat sich drastisch verbessert, was den Elektronikdesignern hilft, sich auf innovative Schaltungsdesigns zu konzentrieren. Technologien wie das selektive Lasersintern (SLS) und das Multi-Jet-Fusion-Verfahren (MJF) sind in der Lage, diese Boards zu produzieren, was früher ein Nachteil war. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren können mit additiver Fertigung schnell große Stückzahlen von Elektronikgehäusen und Steckplatinen hergestellt werden.

Weitere Lektüre: Was ist 3D-Druck und wie funktioniert er?

Im IoT-Anwendungsbereich können Designer additive Fertigung für eingebettete Geräte mit modernen Funktionen wie Sensor-, Verarbeitungs- und Aktuatorsystemen nutzen. Vor allem in der Medizin, der Robotik und der Luft- und Raumfahrt finden miniaturisierte Systeme große Beachtung.

Raumfahrtagenturen wie die NASA und ihr Glenn Research Center haben ein eingebettetes System gebaut, das in das Raumfahrzeug integriert wird. Aufgrund der Fähigkeit der additiven Fertigung, multifunktionale Komponenten in 3D-gedruckte Strukturen einzubauen, können miniaturisierte Geräte in Systemen mit begrenzter Fläche eingesetzt werden.

Die Zukunft der additiv gefertigten Elektronik

3D-gedruckte elektronische Geräte finden breite Anwendung in den Bereichen Leistungselektronik, Sensoren, Batterien, Solarzellen, dehnbare Elektronik und Wearables. Es wurden neue Methoden entwickelt, um die Probleme der Signalintegrität und des Wärmemanagements zu überwinden, die bei herkömmlichen Fertigungsmethoden auftreten.

Die Zukunft liegt in einer stärkeren Verbreitung von 3D-gedruckter funktioneller Elektronik in industriellen Anwendungen.