MecDruForm - Entwicklung räumlicher mechatronischer Module durch Drucken und Hochdruckumformen

Foto: Julian Schirmer

Im digitalen Zeitalter und durch die stetig voranschreitende Vernetzung vieler Lebensbereiche sind elektronische Baugruppen nicht mehr aus dem Alltag wegzudenken. Der steigende Bedarf an miniaturisierten und hochintegrierten mechatronischen Modulen hat zur Folge, dass neben elektrischer Funktion auch mechanische, thermische oder optische Funktionen vom Schaltungsträger erfüllt werden müssen. Seit einigen Jahren werden hierfür verstärkt räumliche, spritzgegossene Schaltungsträger (MIDs) verwendet. Bei der Herstellung solcher MIDs unter Verwendung der industriell etablierten Verfahren zeigen sich jedoch spezifische verarbeitungs-technische Nachteile. Häufig werden zur Erzeugung der Leiterbahnstruktur komplizierte und teure Verfahren verwendet, die wenig variantenflexibel sind. Ebenso ist das Aufbringen von elektrischen Bauteilen (z.B. Widerstände, Mikroprozessoren, Kondensatoren)  auf Freiformflächen nur über Sondermaschinen zu bewerkstelligen und somit im Vergleich zu Standardverfahren der Elektronikproduktion langsam und teuer. Diese Nachteile könnten durch Nutzung synergetisch aufeinander abgestimmter, alternativer Fertigungsmethoden umgangen werden. Ein solcher Ansatz wird im Forschungsprojekt „MecDruForm“ näher untersucht. Es sollen zunächst ebene, isolierende thermoplastische Kunststofffolien unter Verwendung spezieller Layouts elektrisch funktionalisiert werden um anschließend plastisch verformt und verstärkt zu werden.

Durch den Einsatz von additiven Metallisierungsverfahren (Drucken) auf flexiblen Schaltungsträgern kann das Leiterbild prozesssicher, wirtschaftlich und variantenflexibel erzeugt werden. Ebenso können elektrische Bauteile im ebenen Zustand schnell und kostengünstig appliziert werden und stellen somit eine wirtschaftlich attraktive Alternative zu den Montageverfahren von MIDs dar. Die dreidimensionale Formgebung erfolgt erst im Anschluss an elektrisch funktionalisierten Baugruppen mittels Thermoformen. In einem darauf folgenden Arbeitsschritt können diese umgeformten Baugruppen durch Hinterspritzen mit Kunststoff verstärkt werden. Durch Auswahl geeigneter Umspritzwerkstoffe können vom Gehäuse neben mechanischer auch weitere beispielsweise thermische und optische Funktionen erfüllt werden. Die Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm bearbeitet in diesem Forschungsprojekt in einem Teilprojekt die Bewertung und Auswahl geeigneter Drucktechnologien und entsprechender Druck- und Substratmaterialen, die Entwicklung geeigneter Aufbau- und Verbindungstechnik für oberflächenmontierte passive und aktive elektronische Bauelemente sowie die Bewertung des Langzeitverhaltens komplett aufgebauter (umgeformter und verstärkter) Module unter erschwerten Gebrauchsbedingungen um Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu bewerten. Durch mäanderförmig aufgewickelten Leiterbildstrukturen können Schädigungen in stark strapazierten Bereichen mit hoher Dehnungwährend der Umformung verringert bzw. verhindert werden. Zusammenfassend sollen durch das Projekt MecDruForm durch umfassende Untersuchungen von Materialien, Einflussfaktoren, Verfahrensvarianten und Prozess-parametern neue Kenntnisse für die alternative Herstellung von MIDs erarbeitet werden. Diese neuartige, innovative  Herstellungsmethode könnte potentiell etablierte Herstellungsverfahren erweitern um eine wirtschaftlichere und flexiblere Serien-produktion mechatronischer Baugruppen auf Kunststoffbasis zu ermöglichen.

Das Forschungsprojekt wird von den Forschungspartnern Institut für Materialwissen-schaften (ifm) der Hochschule Hof sowie vom Institut Chemie, Material- und Produktentwicklung (OHM-CMP) der Technischen Hochschule Nürnberg und zwei industriellen Projektpartnern mit einer Laufzeit von vier Jahren bearbeitet. Von industrieller Seite unterstützen die Firmen Micro Systems Engineering GmbH (Berg) und die RF Plast GmbH (Gunzenhausen) das Forschungsprojekt. Das Teilprojekt der TH Nürnberg wird im Labor für Aufbau- und Verbindungstechnik unter der Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. Marcus Reichenberger durchgeführt. Das Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter der dem Förderkennzeichen 03FH020IA6 mit insgesamt 750.000 € gefördert. Es ist eingebettet in das Verbundvorhaben „IngenieurNachwuchs2016“ im Programm „Forschung an Fachhochschulen“.

 

 

  • Fotos: Thomas Schuller