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Elektrische Hoch­leistungs­schaltkreise eingebettet in 3D-gedruckte Objekte

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Die Kombination von AM mit dem Druck von Nanopartikeln (NP) aus Metall ermöglicht die Integration von Leiterbahnen und elektronischen Geräten in 3D-Objekte. Aktuell müssen Kompromisse eingegangen werden, um die gewünschten elektrischen Widerstand der NP-Schaltungen zu erreichen. Das wollen Forscher der Rutgers Universität ändern.

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Proof-of-Concept: Das Beispiel zeigt eine einfache lichtempfindliche Elektronik mit einer LED, einer lichtempfindlichen Diode und einer Stromversorgung, die durch eine Hochleistungsschaltung im Inneren des Polymers verbunden ist.
Proof-of-Concept: Das Beispiel zeigt eine einfache lichtempfindliche Elektronik mit einer LED, einer lichtempfindlichen Diode und einer Stromversorgung, die durch eine Hochleistungsschaltung im Inneren des Polymers verbunden ist.
(Bild: Md Naim Jahangir )

Die Möglichkeit, Leiterbahnen innerhalb des Volumens eines 3D-gedruckten Bauteils zu integrieren, kann kleinere und energieeffizientere Geräte bei gleichzeitig größerer Sensordichte in Systemen wie Kleinsatelliten (CubeSats), Drohnen, Sender, Licht- und Bewegungssensoren oder globale Positionierungssysteme ermöglichen.

Die leitenden Strukturen, die als Elektroden fungieren, besitzen dabei oft selbst eine Funktion und dienen, z.B. als Antennen für die Kommunikation, kapazitive Sensoren zum Messen von Druck, als stromführende Spulen für die interne elektromagnetische Aktuation oder als elektrische Gitter für die elektromagnetische Abschirmung.

Das Verfahren mit dem größten Potenzial für die Herstellung von 3D-Elektronik in nur einem Prozess, ist der Druck von metallischen Nanopartikeln in Kombination mit der Fused Filament Fabrikation (FFF), auch bekannt als Fused Deposition Molding (FDM). Bei diesem 3D-Druck-Verfahren wird ein Endlosfilament aus einem schmelzfähigen Kunststoff durch einen beheizten Extruderkopf geführt und schichtweise auf eine Grundfläche aufgebracht. Verwendet werden können Thermoplaste wie Polyethylen, Polypropylen, ABS, PET oder auch Kompositfilamente, z.B. Kunststoff mit eingebetteten leitenden Metallnanopartikel (NPs).

Zur Erzeugung von leitenden Bahnen mit Kompositfilamenten gibt es einen Punkt zu beachten: Damit ein niedriger spezifischer elektrischer Widerstand der Leiterbahnen erreicht wird, müssen die die gedruckten Nanopartikel gesintert werden. Bei einem typischen Sinteransatz wird die Struktur mit eingebetteten Bauelementen und Verbindungen in einem Ofen platziert. Das Sintern erfolgt entweder schnell bei hoher Temperatur (10 - 30 Minuten bei 250 - 350°C), was die Struktur beschädigen und verformen kann, oder langsam bei niedriger Temperatur (z.B. 80 °C für 1 - 1,5 Stunden), was den Prozessdurchsatz erheblich reduziert.

Forscher der Rutgers Universität sind der Meinung, dass es bisher keine Methode gibt, mit der ein spezifischer Widerstand erreicht wird, der für den Einsatz in konventionellen elektronischen Schaltungen niedrig genug ist oder der die empfindlichen Polymerstrukturen beim Sinterprozess nicht zerstört. Ihre Lösung für das Problem ist das Intense Pulsed Light Sintering (IPL)-Verfahren, welches bereits im Bereich der flexiblen und tragbaren Elektronik angewendet wird.

Gepulstes Licht minimiert Schäden an empfindlichen Strukturen

IPL verwendet großflächiges und breitbandiges Xenon-Licht, um metallische (z.B. Ag, Cu, Ni), halbleitende (z.B. CuS, CdTe, TiO2) und thermoelektrische NPs zu sintern. In weniger als 10 s kann IPL über die gesamte optische Grundfläche einen elektrischen Widerstand ähnlich wie beim Ofensintern erreichen, was einen sehr hohen Prozessdurchsatz bedeutet. Eine vorzugsweise höhere optische Absorption durch die NPs aufgrund der Anregung der Plasmonenresonanz, kombiniert mit dem gepulsten Licht, minimiert oder eliminiert die Beschädigung des Substrats. Zudem lässt sich IPL nahtlos in den Herstellungsprozess integrieren.

Für ihre Forschungsarbeit verwenden die Ingenieure ABS und PLA mit Silbernanodrähte und -spähren in unterschiedlichen Verhältnissen. So konnten sie zudem die Rolle der NP-Morphologie auf den spezifischen elektrischen Widerstand und die strukturelle Schädigung untersuchen. Ihre Untersuchungen ergaben, dass sich sich mit Nanodrähten Bahnen mit einer höheren Leitfähigkeit herstellen lassen, da diese die Rauigkeit der 3D-gedruckten Oberfläche besser überbrücken.

Als Proof-of-Concept haben die Wissenschaftler einen mehrschichtigen Temperatursensor und einen optischen Schaltkreis mit eingebetteter Zwischenschaltung hergestellt (siehe Bild). Die so gefertigten Schaltkreise leiten 10x mehr Strom als mit bisherigen Methoden hergestellte.

Ihre Arbeit veröffentlichen Sie in der Studie Towards out-of-chamber damage-free fabrication of highly conductive nanoparticle-based circuits inside 3D printed thermally sensitive polymers in der Zeitschrift Additive Manufacturing.

Rajiv Malhotra, ein Assistenzprofessor in der Abteilung für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der School of Engineering der Rutgers University-New Brunswick, ist überzeugt davon, dass der neue Ansatz als Grundlage dienen kann, um ein System zu entwickeln, welches alle drei Verfahren integriert.

In den nächsten Schritten wollen die Forscher die Leitfähigkeit der Schaltkreise verbessern sowie das Verfahren auf flexible 3D-Strukturen übertragen.

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