Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Funktionsintegration durch Drucktechnologien
Die Technologieplattform »Functional Printing« umfasst digitale und maskenbasierte Drucktechnologien, womit Bauteile gezielt und passgenau an den erforderlichen Bauteilstellen funktionalisiert werden können. Sensoren oder elektronische Komponenten können so in bestehende Produkte integriert werden und verleihen dem Bauteil zusätzliche oder ganz neue Eigenschaften und Funktionen. Das Fraunhofer IFAM verfügt über alle wichtigen Druckverfahren und hat eine tiefgreifende Materialexpertise. Werden für z.B. sensorische Anwendungen verdruckbare Tinten oder Pasten benötigt, die nicht kommerziell erhältlich sind, können diese am Fraunhofer IFAM entwickelt werden.
Tinten und Pasten: Der Schlüssel zur Funktionsintegration
Das Functional Printing nutzt Druckverfahren, die aus dem Farbdruck oder für das Applizieren von Klebstoffen/Lotpasten bekannt sind, aber auch Spezialdruckverfahren. Die verdruckten Materialien, sog. Tinten und Pasten, sind der Schlüssel zur Funktionsintegration: Sie enthalten die Partikel, die zu den gewünschten Funktionen wie einer elektrischen Leitfähigkeit oder sensorischen Eigenschaften führen. Durch die Wahl eines geeigneten Druckverfahrens und Materials können Strukturgrößen von wenigen Mikrometern bis hin zu Großflächen von mehreren Metern realisiert werden. Dabei ist das Functional Printing nicht auf 2D-Substrate begrenzt, mit Robotern und Mehrachsanlagen können auch komplexe 3D-Oberflächen oder flexible und dehnbare Folien und Textilien bedruckt werden.
Functional Printing: Materialsparendes und umweltfreundliches Verfahren
Im Zentrum der Technologie Functional Printing steht das Material, welches die Eigenschaften ermöglicht, die auf dem Bauteil gewünscht werden. Dieses Material wird entweder mit einem maskenbasierten Verfahren wie Siebdruck oder Tampondruck oder einem digitalen Verfahren wie dem Aerosol Jet Printing, dem Ink-Jet-Printing oder dem Dispensen aufgedruckt. Dabei wird das Funktionsmaterial, im Gegensatz zu Lithographieverfahren, nur genau dorthin gebracht, wo es in der Anwendung auch benötigt wird. Ein nachfolgender Aushärtungsschritt, welcher über Temperatur, UV-, Laser- oder Blitzlicht erfolgt, führt zu den gewünschten Eigenschaften des applizierten Materials. Alle Technologien haben gemein, dass sie materialsparend sind und umweltfreundliche Alternativen zu vergleichbaren Herstellungsprozessen sein können.
Bedrucken von komplexen Oberflächen
Neben dem Drucken von elektrischen Leiterbahnen können am Fraunhofer IFAM eine Reihe von Sensoren direkt appliziert werden. Bespiele für gedruckte Sensoren sind Dehnungsmesstreifen (DMS), Temperatursensoren (resistive Pt100, Pt1000, Thermoelemente Typ K, J, T), kapazitive Sensorik zur Detektion z.B. von Feuchtigkeit oder Berührungen, Vibrations-bzw. Impact und viele weitere Sensoren. Auch aktive Elemente wie Aktoren und Heizer (resistiv z.B. PTC) können gedruckt werden.
Das Functional Printing ermöglicht es, den Sensor auf die spezifischen Gegebenheiten des Bauteils anzupassen und direkt auf die Bauteiloberfläche zu Drucken. Dies hat neben einem hohen Automatisierungsgrad auch den Vorteil, dass die Ansprechzeiten deutlich verringert werden können. Auch Bauteilbereiche mit komplexen Oberflächen, an denen folienbasierte Sensoren an ihre Grenzen stoßen, sind bedruckbar. Eine Funktionalisierung ist dabei nicht auf die Bauteiloberfläche beschränkt, sondern es können während der additiven Fertigung Leiterbahnen oder Sensoren auch im Innern der Bauteile eingebracht werden. Glasfaser- oder Kohlenstoffgewebe, die als Halbzeuge zur Herstellung von Faserverstärken Kunststoffen dienen können ebenfalls mit Sensoren versehen werden, welche sich nach der Bauteilherstellung im Innern der Bauteile befinden. Diese Ansätze bieten ganz neue Design- und Auslegungsmöglichkeiten und können die Funktionsdichte deutlich erhöhen. Dabei müssen Bauteile nicht von Grund auf neu designt werden, die Technologie erlaubt es auch, bestehende Bauteile mit Funktionalitäten zu erweitern und so einen Mehrwert zu schaffen.
Anlagentechnik und die verdruckbaren Materialien sind kommerziell verfügbar und lassen eine schnelle Umsetzung in die Serie zu. Das Fraunhofer IFAM modifiziert diese Materialien und Prozesse ggfs. für die spezifischen Kundenanforderungen. Umweltfreundliche Materialien, z. B. auf Wasserbasis und robuste Druckverfahren bieten die Möglichkeit einer Produktion in Deutschland mit geringen Auflagen und außerhalb von Reinräumen.
