3D-gedruckte Elektronik: Mikrodosierung von leitfähigen Pasten

| Autor / Redakteur: Prof. Dr.-Ing. Stefan Grünwald* / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Bild 1: Berührende (Nadeldosierventil) und berührungslose Dosierung (Stößel-Düse-Prinzip)
Bild 1: Berührende (Nadeldosierventil) und berührungslose Dosierung (Stößel-Düse-Prinzip) (Bild: TH Köln)

In vielen industriellen Bereichen nimmt die Dosierung von hochviskosen Medien eine Schlüsselrolle ein. Aktuelle Verfahren kommen jedoch bei gewölbten Oberflächen oder bei der Mikrodosierung an ihre Grenzen – innovative Konzepte und Lösungen müssen her.

Die Schaffung und Kontaktierung von miniaturisierten elektrischen Komponenten, räumlichen elektronischen Baugruppen und elektrischen Schaltungen sind im Zeitalter der Industrie 4.0 unausweichlich. Der Auftrag von kleinsten Mengen einer niederviskosen Flüssigkeit oder einer hochviskosen Paste nimmt dabei häufig eine Schlüsselrolle ein.

Die aktuellen Verfahren zur Erzeugung derartiger Dosiermengen, zum Beispiel Siebdruck, kommen bei gewölbten Oberflächen sowie bei der Erzeugung kleinster Tropfen an die Grenzen der Machbarkeit. Diese Verfahren können oftmals nicht mehr reproduzierbar eingesetzt werden und scheiden in vielen industriellen Anwendungen aus. Um diese Lücke zu füllen, sind innovative Konzepte und Lösungen für die benötigte Auftragstechnik unumgänglich.

Praxisforum 3D-gedruckte Elektronik am 10. Juli in Würzburg Prof. Dr.-Ing. Stefan Grünwald, Professor für Konstruktionstechnik an der TH Köln, spricht auf dem 3. Praxisforum 3D-gedruckte Elektronik am 10. Juli 2019 in Würzburg.
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Für die Dosierung von niederviskosen Flüssigkeiten, die mit Nanopartikeln versehen sind, eignen sich vor allem piezoelektrische Dosiersysteme, die aus der Tintenstrahldrucktechnik bekannt sind. Für höhere bzw. hochviskose Pasten werden stattdessen berührende und berührungslose Mikrodosierventile eingesetzt (Bild 1).

Beschädigungen und Verstopfung des Dosierventils vermeiden

Eine Mikrodosierung von elektrisch leitfähigen Klebstoffen ist durch die häufig enthaltenen Silberpartikel derzeit sehr stark eingeschränkt. Diese Partikel, die einen Durchmesser von 20 μm bis 50 μm aufweisen können, führen auf Grund ihrer abrasiven Wirkung zu einer schnellen Beschädigung oder einer Verstopfung des Dosierventils.

Um ein Verstopfen der Düse bzw. der Dosiernadel zu verhindern, muss ein bestimmter Faktor vorliegen, mit dem der größte Partikeldurchmesser zu multiplizieren ist. Durch diese Rechnung erhält man den kleinstmöglichen Düseninnendurchmesser. In der Fachliteratur werden Faktoren zwischen 5 und 100 angegeben. Um über diese Verhältnisse genauere Aussagen treffen zu können, wurden verschiedene Versuche durchgeführt. Dabei konnte ermittelt werden, dass bei dem Einsatz von kugelförmigen Partikeln mit einem Füllstoffanteil von 80 Gew.‐% ein Faktor größer 7 vorliegen muss. Der Einfluss der Dosiernadellänge hat nur einen untergeordneten Einfluss auf das Verstopfungsverhalten. Die Versuche haben weiterhin gezeigt, dass ein Verstopfen hauptsächlich im Einströmbereich der Dosiernadel stattfindet.

Mit berührenden Dosierventilen und Dosiernadeln mit optimiertem Einströmbereich können relativ kleine Mengen von Silberleitklebstoffen aufgetragen werden. Typische kleinste Tropfendurchmesser liegen in einem Bereich von ca. 200 μm und teilweise sogar darunter. Zahlreiche Versuche zeigen die Abhängigkeit vom Förderdruck, dem Dosiernadeldurchmesser sowie dem Abstand der Dosiernadel zum Trägerbauteil.

Bei der berührungslosen Mikrodosierung spielt das Abrissverhalten an der Dosierdüse eine entscheidende Rolle. Für derartige Untersuchungen kann ein spezieller stroboskopischer Tropfenbeobachtungsstand eingesetzt werden. Damit lassen sich neben dem Abrissverhalten auch das Tropfenvolumen und die Tropfengeschwindigkeit ermitteln.

Bild 2: Berührungsloses Dosierventil (links), berührungslos dosierte Silberleitklebstoffe mit einem Stößel-Düse-Dosierventil (rechts)
Bild 2: Berührungsloses Dosierventil (links), berührungslos dosierte Silberleitklebstoffe mit einem Stößel-Düse-Dosierventil (rechts) (Bild: TH Köln)

Aktuelle Dosierversuche mit einem neu entwickelten Stößel-Düse-Dosierventil ermöglichen die berührungslose Dosierung von Silberleitklebstoffen (Bild 2 ). Aktuelle Versuchsreihen zeigen die klare Abhängigkeit vom Kraftimpuls des Stößels, dem Förderdruck, der Öffnungszeit sowie weiteren Parametern und ermöglichen die berührungslose Dosierung kleiner Tropfen.

Weitere Dosierventile wie Schlauchquetschventile oder Membrandosierventile werden ebenfalls am Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik der Technischen Hochschule Köln für den Einsatz zur Dosierung von Flüssigkeiten oder Pasten eingesetzt und untersucht. In vielen industriellen Bereichen nimmt die Dosierung von hochviskosen Medien bereits heute eine Schlüsselrolle ein. Vor allem für den Auftrag von kleinsten Strukturen einer leitfähigen Paste erschließen sich dabei eine Vielzahl von hochtechnologischen Anwendungen.

* Prof. Dr.-Ing. Stefan Grünwald ist Professor für Konstruktionstechnik am Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik an der Fakultät für Anlagen, Energie- und Maschinensysteme an der TH Köln.

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