Fachtagung ‚Electronics goes 3D‘

Was jenseits der klassischen Elektronik möglich ist und womit sich die angewandte Forschung beschäftigt, wurde in der TH Nürnberg auf der Fachveranstaltung ‚Electronics goes 3D – Disruptive Innovationen eröffnen neue Anwendungen' diskutiert. Kurz zuvor hatte der FED-Arbeitskreis 3D-Elektronik ein White Paper zur Klassifizierung von additiven Fertigungsprozessen veröffentlicht, um mit diesem Leitfaden Hersteller und Anwender bei der Auswahl und Zuordnung der 3D-Elektronikkonzepte zu unterstützen.

Nach der offiziellen Eröffnung und Begrüßung der über 80 Teilnehmer durch die beiden Moderatoren Markus Biener, Zollner Elektronik und FED-Regionalgruppe Nürnberg, und Hanno Platz, GED Gesellschaft für Elektronik und Design und Leiter des FED-AK 3D-Elektronik, folgte ein Grußwort des Gastgebers Prof. Dr.-Ing. Marcus Reichenberger, Institut für Chemie, Material- und Produktentwicklung der TH Nürnberg, der anschließend sein Institut und dessen Aktivitäten vorstellte.

Acht Vorträge boten guten Über- und Ausblick

Wolfgang Mildner, MSW Tech, legte dar, dass Elektronik zur 3D-Elektronik wird, und zeigte dazu den Weg von der gedruckten Elektronik zur 3D-Strukturelektronik auf. Die gedruckte Elektronik ist eine Plattformtechnologie, mit der dünne, flexible und leichte Komponenten und Systeme realisiert werden können, wozu spezielle Kunststoff- und Metallmaterialien sowie Produktionstechnologien benötigt werden. Wolfgang Mildner ging ausgehend vom Status auf die in die Zukunft weisende OE-A-Roadmap (der Organic and Printed Electronics Association) für gedruckte Elektronik und 3D-Strukturelektronik ein und merkte dabei an, dass dies niemand alleine realisieren kann und deshalb Zusammenarbeit gefordert ist.

Julian Schirmer, Carl Zeiss SMT, informierte über sein Promotionsprojekt MecDruForm zur Herstellung mechatronischer Module auf Basis von Kunststofffolien durch Kombination von Druck-, Umform- und Spritztechnologien. Das Schaltungslayout wird mittels Siebdruck auf Folien übertragen und elektrisch funktionalisiert. Anschließend werden SMD mittels üblicher Verbindungstechnologien (Löten und Leitkleben) bestückt, so dass funktionsfähige 2D-Schaltungsträger entstehen. Diese werden in weiteren Schritten durch Hochdruckumformen in eine 3D-Form überführt und mittels Spritzguss geschützt. Julian Schirmer ging auf die Herausforderungen aufgrund der Belastungen beim Umformen und Umspritzen ein. U. a. wurden die elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Chip-Widerständen auf verschiedenen Polymersubstraten abhängig von der Position untersucht. Die Ergebnisse und ein Funktionsdemonstrator wurden vorgestellt.

Mit dem Titel ‚Introduction to 3D Printed electronics' gab Dr.-Ing. Rolf Baltes, J. A.M.E. S., eine kurze Einführung in die AME-Technologie (Additively Manufactured Electronics) und zeigte dabei deren Vorteile und die damit verbundenen Herausforderungen auf. Durch AME ergeben sich ganz neue Designmöglichkeiten, die dazu führen, dass die Entwicklung weg von der Leiterplatte hin zu 3D-Aufbauten geht.

Über die Klassifizierung der 3D-Elektronik informierte Michael Schleicher, Semikron Danfoss und FED-Arbeitskreis 3D-Elektronik. Der Arbeitskreis hat das Wissen zu diesen neuen Technologien für seine Mitglieder und interessierte Fachleute gesammelt und aufbereitet. In Diskussionen mit Instituten und Industriepartnern ist die Klassifizierung abgestimmt worden, die nun in Form eines White Paper veröffentlicht ist. Das 26-seitige White Paper definiert fünf Klassen der Elektronikintegration mit additiven Fertigungsverfahren. Zudem werden darin die Chancen und das Marktpotenzial der additiven Fertigungsverfahren betrachtet und als zukünftige Arbeitsfelder dafür geeignete eCAD-Tools und Datenformate benannt.

Die Prozesse der ‚Scalable 3D Printed Electronics – From Development to Series Production' betrachtete Dr. Martin Hedges, Neotech AMT. Druck-, Vor- und Nachbearbeitungstechniken werden mit SMD-Technologien kombiniert, um eine digital gesteuerte 3D-Elektronikfertigung zu ermöglichen. Die Prozessketten können leicht rekonfiguriert werden, um Produktänderungen schnell zu realisieren, und sie sind skalierbar bis hin zur Großserienfertigung. Die Auswahl der optimalen Druck-, Vor- und Nachbearbeitungsmethoden wurde erörtert und aktuelle Anwendungen vorgestellt.

An der Technischen Hochschule Nürnberg wurde im IGF-Forschungsprojekt ‚PrESens' der Einsatz innovativer Druckverfahren und Prozesse zur Erzeugung funktionaler Strukturen auf einzelnen Bauteilen untersucht. Jewgeni Roudenko, THN, stellte das Projekt vor, wobei der Schwerpunkt auf der Herstellung resistiver Sensorik (Dehnungs- oder Temperatursensoren) auf 2D- sowie 3D-Objekten lag. Die Integration resistiver Sensorik in Getriebe, Maschinenelemente, Tragstrukturen usw. ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung der mechanischen und thermischen Belastungen während des Betriebs und kann für die Predictive Maintenance eingesetzt werden.

Mit dem Projekt Tinker soll einen neuer kosten- und ressourceneffizienter Weg für die Herstellung von Radar- und Lidar-Sensoren entwickelt werden. Dr. Pavel Kulha, ProFactor, beschrieb diesen sowie die dafür konzipierte Pilotanlage in seinem Beitrag „Tinker EU – Sensor package fabrication via additive manufacturing for automotive sector“. Die vorgeschlagene Lösung bietet aufgrund ihres modularen Charakters ein hohes Maß an Flexibilität und Zuverlässigkeit.

Über die Additive Fertigung von Elektronik (AME) sowie deren Status, Perspektiven und Anwendungen informierte Valentin Storz, Nano Dimension. Die Anwendungen der AME-Technologie sind vielfältig und reichen inzwischen bis hin zur Produktion von Serienprodukten. Sensoren, Antennen, gedruckte 3D-Schaltkreise, Wearables, medizinische Geräte, Roboter und Elektronikbaugruppen für die Luft- und Raumfahrt werden damit realisiert. Ein besonderer Vorteil der additiven Fertigung ist, dass damit komplexe und innovative Designs und Produkte realisiert werden können, die mit herkömmlichen Methoden nicht möglich wären.

Praxistauglich bis hin zur Serienproduktion

Fazit der ersten Fachtagung ‚Electronics goes 3D' ist, dass die neuen AME-Technologien enormes Potential haben und trotz noch bestehender Herausforderungen im Hinblick auf Designtools inzwischen praxistauglich sind bis hin zur Serienproduktion. Die benötigten Verfahren und Materialien sowie das benötigte Equipment sind verfügbar.