Evolution des 3D-Drucks vom Plastikteil bis zum Quadrocopter

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3D-Printer drucken längst nicht mehr nur Kunststoff. Inzwischen lassen sich auch Leiterbahnen und elektronische Komponenten additiv fertigen und direkt in das Druckobjekt integrieren.

Als Erster beschrieb 1982 der Japaner Hideo Kodama vom Nagoya Municipal Industrial Research Institute, wie sich ein Festkörper drucken lässt und 1986 lieferte 3D Systems den ersten 3D-Drucker aus. Beim 3D-Druck wird anhand einer digitalen Vorlage ein dreidimensionaler Festkörper erstellt. Als Werkstoffe werden unterschiedlichste Materialien von Kunststoff, Metall oder Gips bis hin zu Lebensmitteln oder Zellkulturen verwendet. Die meisten Modelle auf dem Markt sprühen das Material auf eine Platte und bauen damit nach und nach das dreidimensionale Objekt auf. Die Schichten verbinden sich automatisch. Das Verfahren wird auch als additive Fertigung bezeichnet – und liefert erstaunliches Potenzial für die Elektronik. Eine weitere Technologie, die vor allem im professionellen Bereich und für metallische Komponenten zum Einsatz kommt, ist das Lasersintern. Dabei werden mit Hilfe eines Lasers Kunststoff- oder Metallpulver zu einem Bauteil verschmolzen.

3D-Druckobjekte mit integrierten Leiterbahnen

Voxel8: Der Elektronik-Printer produziert 3D-Druckobjekte mit integrierten Leiterbahnen. Aus einem Druckkopf kommt Plastik, aus dem anderen leitende Silbertinte. (Quelle: voxel8.co)
Voxel8: Der Elektronik-Printer produziert 3D-Druckobjekte mit integrierten Leiterbahnen. Aus einem Druckkopf kommt Plastik, aus dem anderen leitende Silbertinte. (Quelle: voxel8.co)

Aktuell eröffnet eine Reihe innovativer 3D-Drucktechnologien ganz neue Anwendungsmöglichkeiten. Mit dem Elektronik-3D-Drucker Voxel8 lassen sich, beispielsweise Objekte mit integrierten elektronischen Komponenten herstellen. Das Gerät hat zwei Druckköpfe: Der eine trägt wie gewohnt Schicht für Schicht geschmolzenes Plastik auf.

Aus dem anderen Druckkopf kommt leitfähige Silbertinte. Der Hersteller produzierte mit dem Gerät bereits einen Quadrocopter – in einem Druckvorgang, inklusive Gehäuse und Leiterbahnen. Zwischendurch wurde der Druckvorgang dabei nur einmal gestoppt, um Motor, Batterie und weitere Elektronik einzufügen.

Dabei kommt eine Technik namens „photonische Nachbehandlung“ zum Einsatz, erklärt Stan Farnsworth von Novacentrix. Ein Blitzlicht, so sagt er, heize mit sehr hoher Lichtintensität in wenigen Millisekunden die äußerste Schicht des zu bedruckenden Objekts auf. So sei es möglich, leitfähige Tinten auf Kunststoff aufzubringen ohne das Plastik zu beschädigen.

Seit zwei Monaten ist der Voxel8 als Developer Kit erhältlich. Das Standardmodell kostet 8.000 Euro, die Profiversion 10.700 Euro und das Enterprise-Paket ist für 14.300 Euro erhältlich. Das erste Gerät wurde an MITRE geliefert. Das ist eine von der US-Regierung geförderte Forschungseinrichtung, die mit dem Elektronikdrucker nun im Regierungsauftrag Prototypen phasengesteuerter Antennen-Arrays fertigt.

Das zweite Gerät ging an die Google-Tochter Advanced Technology and Projects, kurz ATAP. Was genau das Entwicklerteam mit dem Voxel8 vorhat, ist noch nicht bekannt. Experten gehen davon aus, dass das Projekt in Zusammenhang mit dem Internet der Dinge – dem Internet Of Things (IoT) – steht. Denkbar sind auch Anwendungsgebiete wie Sensoren, Waagen, Mikrofone und Lithium-Ionen-Akkus.

Aludruck ohne Laser und Hochspannung

Auf der Start-up Plattform electronica Fast Forward präsentiert sich ein belgisches Start-up, das eine innovative Technologie für kompakte 3D-Drucker entwickelt. Mit ihr sollen sich Aluminiumteile ohne Laser, Hochspannung und Metallpulver besonders kostengünstig und einfach herstellen lassen. Verwendet wird dazu herkömmlicher Aluschweißdraht in einer inerten Umgebung.

Elektronik-3D-Druck im Mikrometerbereich

Optomec, amerikanischer Hersteller von 3D-Druck-Systemen für Elektronik und Metalle, bietet die Möglichkeit, Polymere und Verbundwerkstoffe mit einer Auflösung von bis zu 10 Mikrometer zu drucken. Mittels eines geneigten Druckkopfes lassen sich Strukturen auf fast jede Oberflächengeometrie drucken, zum Beispiel auf Halbleiterchips. Die gedruckten Objekte kann man mit Leiterbahnen und Komponenten wie Antennen und Sensoren bestücken. Die Methode kombiniert eine Technologie für den 3D-Druck von feinsten Details mit einem System zur lokalen Aushärtung. Die Technologie könnte helfen, Größe und Kosten elektronischer und biomedizinischer Produkte zu verringern.

Dreidimensional gedruckte Elektronik

Die Nürnberger Firma Neotech AMT druckt Elektronik auf komplexe dreidimensionale Körper. Die Fertigungsplattform PJ15X kombiniert eine piezogesteuerte Drucktechnologie mit der 5-Achs-Kinematik. Der Druck wird mit Silbertinte ausgeführt. Ein Laser sorgt dafür, dass die leitende Schicht auf dem Bauteil haftet ohne es zu beschädigen. Auch die Kontaktierung zum Chip lässt sich in einer Druckstufe erstellen. Löten ist nicht erforderlich. Das ist insofern interessant, als sich 3D-gedruckte Kunststoffbauteile mit Lötprozessen aufgrund der hohen Temperaturen nicht bearbeiten lassen. Anwendung findet das System bei der Produktion von Mobiltelefonen. Die Automobil- und Elektronikindustrie nutzt es, um 3D-Leiterbahnen, Antennen, Sensoren und Heizstrukturen zu drucken.

Elektronische Multilayer-Schaltkreise

Dragonfly 2020 PCB: Der 3D-Drucker des israelische Unternehmens Nano Dimension druckt elektronische Multilayer-Schaltkreise.
Dragonfly 2020 PCB: Der 3D-Drucker des israelische Unternehmens Nano Dimension druckt elektronische Multilayer-Schaltkreise. (Quelle: nano-di.com)

Das israelische Unternehmen Nano Dimension macht 3D-Drucker für Leiterbahnen. Mit dem neuen DragonFly 2020 lassen sich elektronische Multilayer-Schaltkreise additiv fertigen. Die Anwendungen sind vielfältig – schon in der Fertigung von Prototypen elektronischer Systeme lässt sich damit die Miniaturisierung preiswert vorantreiben, was Entwicklungszeiten deutlich verkürzt und verbilligt. Auch mikrofluidische Systeme, beispielsweise für „Lab-on-a-Chip“ Anwendungen könnten sich damit in Zukunft preiswert und individualisiert herstellen lassen. Erster Kunde und Beta-Tester ist ein israelisches Rüstungsunternehmen. Nano Dimension erhofft sich von diesem, wertvolle Erkenntnisse für die Weiterentwicklung der Technologie. Der Hersteller hat sich das Ziel gesetzt, ein „revolutionäres Produkt zu entwickeln, das Hardware, Nano-Chemie und Software kombiniert“, erklärt Nano-Dimension-Chef Amit Dror.

Biegsame Schaltkreise

Der nächste Schritt könnte der 3D-Druck elektronischer Strukturen wie beispielsweise Kondensatoren oder Transistoren sein. Mit solchen biegsamen Schaltkreisen beschäftigen sich unter anderem die Wissenschaftler am Saarbrücker Leibniz-Institut für Neue Materialien. Forschern des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und der University California Santa Cruz gelang es gerade ultraleichte Superkondensatoren aus einem Graphen-basierten Gel zu drucken.

In Zukunft ist mit diesen und anderen neuen Entwicklungen im 3D-Druck eine Vielzahl von Anwendungen denkbar: Von implantierbaren Geräten bis hin zu kabellosen Sensoren, beispielsweise im Bereich Smart Home. Auch für Produktion – Schlagwort Industrie 4.0“ – eröffnet sich eine Vielzahl neuer Möglichkeiten, angefangen von der Realisierung geringster Losgrößen über die Individualisierung von Bauteilen bis hin zu deren Produktion mit Hilfe von Daten aus der Cloud – quasi dem „Download“ von Bauteilen. Ganz zu Schweigen von der Auswirkung der Technologie auf die Lagerhaltung der Zukunft. Je preiswerter komplexe elektronische Strukturen hergestellt und individualisiert werden können, umso größer werden die Veränderungen sein, die sie für die Industrie und unser Leben mit sich bringen. Darüber kann auch der verfrühte Hype der 3D-Drucker, der schon vor einigen Jahren begann, nicht hinwegtäuschen. Die Technologie wird ihre Potenziale erst noch zeigen.

Kennen Sie den Film „Print the Legend„? Dieser Dokumentarfilm beschreibt die Start-up Szene des 3D-Drucks in den USA. Hier können Sie sich den Trailer anschauen: https://youtu.be/JeqT2NvTFSw

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Was erwarten Sie in Zukunft von neuen Anwendungen im 3D Druck? Wo arbeiten Sie heute schon mit den neuen Technologien? Diskutieren Sie mit uns hier im Blog und erleben Sie die neuesten Technologien und Anwendungen auf der electronica 2016!

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