Bij het Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen produceren de onderzoekers met verschillende printprocessen elektronische componenten en sensoren. Minuscule weerstanden, transistoren, condensatoren en circuits worden eerst ontworpen op het beeldscherm en daarna direct op twee- of driedimensionale oppervlakken als een printplaat aangebracht.
In plaats van kleuren voor het printen gebruiken de wetenschappers ‘functionele kleuren’, elektronische materialen in vloeibare of pasta vorm. Het potentieel voor gedrukte elektronica is groot. Het loopt vanaf de digitale thermometer met elektronische circuits via zonnecellen op de rol tot aan intelligente verpakkingen met ingebouwde sensoren.
Printers manifesteren zich als multi-talent. Zelfs sensoren en elektronische componenten kunnen ondertussen op 2D- en 3D-oppervlakken worden geprint. Een nieuwe, robot gestuurde productie straat automatiseert het proces. Printers zijn momenteel onmisbaar in elk bureau. Maar ook in de micro-elektronica, micro systeemtechniek en bij sensoren spelen de digitale druktechnologieën een belangrijke rol.
Combinatie van drukprocessen
Voor de productie van vlakke en driedimensionale componenten met gedrukte elektronica hebben de wetenschappers bij het IFAM een robotachtige productielijn in bedrijf genomen, die tegelijkertijd meerdere drukprocessen combineert: zeef-, inktjet-, dispenser- en aerosol-jet-drukken zijn modulair geïntegreerd in de productie unit. De productielijn met een centrale robot, componenten aanvoer, druksystemen en ovens voor de warmtebehandeling maakt het onderzoek mogelijk om functionele oppervlakken in serie te vervaardigen.
Dankzij de diverse technologieën is het mogelijk om zowel vlakke als dikke en fijne structuren op het substraat te drukken. Met het aerosol-jet-proces kunnen de onderzoekers de fijnste structuren met een breedte van slechts 10 µm contactloos aanbrengen op het onderdeel. Hierbij wordt een geleidende inkt pneumatisch verstoven en de zo verkregen aerosol wordt via een slang naar de printkop gestuurd. Deze richt de straal op het oppervlak van het substraat.
Printen op oneffen oppervlakten
Zelfs oneffen en kromme oppervlakken kunnen op deze manier worden bedrukt. Ook is het mogelijk om verschillende laagdiktes of structuren met meerdere lagen aan te brengen. “Een print kan bijvoorbeeld niet alleen circuits bevatten, maar tegelijkertijd ook worden voorzien van een laag, die corrosiebescherming biedt”, zegt dr. Volker Zöllmer, afdelingsleider bij het IFAM.
Maar hoe werkt zo’n drukproces in detail? Nadat de besturingssoftware, afhankelijk van het gewenste eindproduct, de volgorde en de soort printers heeft vastgelegd, pakt de robot de printplaat en voert deze door naar het eerste printstation. Voor het integreren van de 200 µm brede geleiderssporen in de oppervlakte, wordt eerst de dispenser, een doceersysteem met piëzo aandrijving, aangestuurd.
Aerosol printer
Met behulp van een klep kunnen het volume en de grootte van de druppels van het vloeibare medium, een elektrisch geleidende kleefstof, exact worden gedoseerd. Als de geleider een verbinding moet verzorgen voor een sensor, dan wordt de printplaat voor de volgende stap naar de aerosol printer doorgeschoven. Dit speciale apparaat voor de fijnste structuren print de sensor erop.
Afhankelijk van de toepassing worden nog meer printers aangestuurd. Aan het eind volgt een thermische nabehandeling in de oven, om de gewenste eigenschappen vast te leggen. De bedrukbare substraten kunnen een grootte hebben van een DIN A-3 blad. De hoogte van de componenten kan meerdere centimeters bedragen.
Functionele oppervlakken op maat
Bij de keuze van de te bedrukken ondergrond en de printmaterialen hebben de experts van het IFAM nauwelijks grenzen: als kleuren komen metalen, keramiek, elektrisch geleidende polymeren, maar ook bio materialen als proteïnen en enzymen in beeld. Deze media worden door de wetenschappers afhankelijk van de eisen aangebracht op glas, textiel, metaal, keramische platen en veel andere materialen. “Met de nieuwe productielijn kunnen we de meest verschillende materialen combineren en producten vervaardigen naar de wensen van de klant.
In principe krijgen de onderdelen volledig nieuwe functies. Een glazen schijf kan met behulp van de geïntegreerde temperatuursensor warmte meten. Geprinte sensoren zijn ook geschikt voor componentenbewaking, om vroegtijdig scheuren en beschadigingen te herkennen. Aerosol geprinte rekmeetstroken kunnen op tijd materiaalmoeheid in carrosseriedelen aangeven”, verduidelijkt Zöllmer.
Verkorten ontwikkelingstijden
De gerobotiseerde productielijn verkleint ook de ontwikkelingstijden. Om componenten te voorzien van sensorstructuren, worden de sensoren vaak later geïntegreerd in de component, wat een tijdrovend proces is. De IFAM-onderzoekers hebben afhankelijk van de toepassing maar een paar seconden tot een minuut nodig om een component te bedrukken.
Veel branches kunnen profiteren van de korte ontwikkelingstijden, zoals de auto- en luchtvaartbranche maar ook de micro systeemtechniek. “We kunnen de industrie ondersteunen bij de productontwikkeling. Kleine- en nul series kunnen met de productielijn worden gemaakt”, zegt Zöllmer. De klant heeft daarbij ook nog de mogelijkheid om de modulaire productielijn met eigen processen uit te breiden.
