Der in den letzten Jahren deutlich gestiegene Anteil elektronischer Komponenten in modernen Kraftfahrzeugen hat dazu geführt, dass diese Bauteile bereits über 30% des Gesamtgewichtes eines Automobils der Oberklasse ausmachen. Aufgrund dieser stetig wachsenden Anzahl an elektronischen Komponenten kommt der Kombination dieser Bauteile mit mechanischen Elementen auf möglichst geringem Raum eine immer größere Bedeutung zu. Mechatronische Systeme mit hoher Integrationsdichte leisten hierfür einen interessanten Beitrag. Minimierter Verdrahtungsaufwand, Reduktion elektromagnetischer Empfindlichkeit, sowie eine wirtschaftlichere Fertigung stellen weitere Vorteile mechatronischer Systeme dar.
Im Rahmen des durch die Deutsche Forschungsgesellschaft geförderten Sonderforschungsbereichs „Integration elektronischer Komponenten in mobile Systeme“, werden daher Verfahren für die wirtschaftliche Produktion intelligenter, mechatronischer Komponenten und deren fertigungstechnische Integration in Kraftfahrzeuge untersucht.
Ziel vorliegender Arbeit ist die Erforschung eines generativen, hybriden Fertigungsverfahrens zum Aufbau komplexer, hochintegrierter 3D Baugruppen, die den hohen Anforderungen an mechatronische Baugruppen in modernen Kraftfahrzeugen genügen. Hierbei soll das flexible Verfahren der Stereolithographie (SLA) mit dem direkten Einbetten von Funktionskomponenten zur sogenannten einbettenden Stereolithographie (eSLA) kombiniert werden. Gleichzeitig sollen elektrisch leitfähige Strukturen während des Bauprozesses generiert werden.
Im Folgenden werden verschiedene Materialien und Verfahren, die bereits zur Erzeugung elektrisch leitfähiger Strukturen im Einsatz sind, hinsichtlich elektrischer Eigenschaften und Integrierbarkeit in den eSLA-Prozess experimentell untersucht und bewertet. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Materialkompatibilität, der Leitfähigkeit, der Stromtragfähigkeit sowie der Automatisierbarkeit.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen und Stand der Technik
2.1 Das Verfahrensprinzip der Stereolithographie
2.2 Methoden zur Erzeugung elektrisch leitfähiger Strukturen und zum Multi-Material Auftrag
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
4 Experimentelles Vorgehen
4.1 Methoden zur Ermittlung der spezifischen Leitfähigkeit und der Stromtragfähigkeit
4.1.1 Berechnung der spezifischen Leitfähigkeit
4.1.2 Widerstandsmessung mit Hilfe eines Multimeters
4.1.3 Widerstandsmessung mit der Vierspitzenmethode
4.1.4 Messverfahren zur Bestimmung der Stromtragfähigkeit
4.2 Einbringen leitfähiger Füllstoffe in das SLA-Harz AccuGen100
4.2.1 AccuGen100/Silberflocken Leitkleber
4.2.2 Leitfähigkeitsruss als Füllstoff in AccuGen100
4.2.3 Herstellen von AccuGen100/Flocken-Graphit Dispersionen
4.2.4 Schlussfolgerung
4.3 Modifizieren nichtleitender Materialien durch Laserstrahlung zur Erzeugung leitfähiger Strukturen
4.3.1 Thermische Modifikation von Lotpaste durch Laserstrahlung
4.3.2 Lasersintern von Indium-Zinn-Oxid zur Erzeugung leitfähiger Strukturen
4.4 Untersuchungen zu intrinsisch leitfähigen Materialsystemen
4.5 Bewertung verschiedener Materialsysteme hinsichtlich ihrer Integrierbarkeit in den eSLA-Prozess
4.5.1 Materialkompatibilität mit dem AccuGen100
4.5.2 Flexibilität und 3D-Fähigkeit
4.5.3 Minimal realisierbare Auflösung
5 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Diese Studienarbeit untersucht verschiedene Materialien und Verfahren zur Erzeugung elektrisch leitfähiger Strukturen im Rahmen der "eingebettenden Stereolithographie" (eSLA), um die Fertigung hochintegrierter mechatronischer 3D-Baugruppen für die Automobilindustrie zu ermöglichen.
- Experimentelle Untersuchung der Leitfähigkeit und Stromtragfähigkeit von Silber-, Ruß- und Graphit-Füllstoffen in SLA-Harzen.
- Analyse der thermischen Modifikation von Lotpasten und ITO durch Laserstrahlung zur Generierung leitfähiger Pfade.
- Bewertung intrinsisch leitfähiger Polymere (Baytron) hinsichtlich ihrer prozesstechnischen Integrierbarkeit.
- Untersuchung der Materialkompatibilität mit dem SLA-Substrat AccuGen100 sowie der 3D-Fähigkeit der Auftragsverfahren.
- Vergleich der Dispens-Methodik hinsichtlich minimaler Auflösung und Flexibilität bei der Leiterbahngeometrie.
Auszug aus dem Buch
4.3.1 Thermische Modifikation von Lotpaste durch Laserstrahlung
Lotpasten setzen sich grundsätzlich aus Lotpulver (Metalle wie Zinn, Silber und Kupfer) und Flussmittel zusammen. Die Bandbreite des Metallgehalts reicht dabei von 85 bis 92 Gewichtsprozent, wobei der Metallgehalt und die Viskosität einer Lotpaste einen linearen Zusammenhang aufweisen. Je höher der Metallgehalt, desto viskoser wird die Lotpaste.
Detaillierter betrachtet setzt sich das Flussmittel aus Harz, Lösungsmittel, Aktivatoren und Hilfsstoffen zusammen. Die Hilfsstoffe dienen vor allem zur Erzielung und Einstellung der gewünschten rheologischen Eigenschaften der Lotpaste. [18]
Im Ausgangszustand sind Lotpasten aufgrund der Flussmittelbestandteile dispensfähig, jedoch nichtleitend. Eine Erwärmung auf etwa 200 bis 220°C führt zum Umschmelzen der Paste, wodurch die nichtleitenden Bestandteile verdampfen und die niedrigschmelzenden Metallbestandteile sich verflüssigen. Bei gewöhnlichen Lötvorgängen kommt es hier zu einer Benetzung der zu verbindenden Fügepartner durch das Lot. Der anschließende Abkühlprozess lässt die Lotpaste wieder erstarren, wodurch eine feste leitfähige Verbindung beider Fügepartner entsteht.
Dieser Vorgang ist allerdings für die hier zugrunde liegende Problemstellung nicht zielführend, da sich beim Umschmelzprozess kleine Lotperlen bilden (sog. „Balling-Effekt“). Eine im nichtleitenden Zustand aufgetragene linienförmige Struktur wäre nach dem Umschmelzen nicht mehr vorhanden, womit keine leitfähige Struktur erzeugt werden konnte.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Arbeit motiviert die Integration elektronischer Komponenten in mechatronische Systeme für den Kraftfahrzeugbau mittels eingebettender Stereolithographie.
2 Grundlagen und Stand der Technik: Es werden additive Fertigungsverfahren sowie bestehende Methoden zur Erzeugung leitfähiger Strukturen (Siebdruck, Thermisches Spritzen, Dispensen, etc.) bewertet.
3 Zielsetzung und Vorgehensweise: Definierung der Forschungsziele, insbesondere die Eignung verschiedener Materialsysteme für das Dispensverfahren im eSLA-Prozess.
4 Experimentelles Vorgehen: Detaillierte Beschreibung der experimentellen Messungen zur Leitfähigkeit, Stromtragfähigkeit und Prozessintegrierbarkeit verschiedener Füllstoffe, Lotpasten und Polymere.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Fazit der Untersuchung, in dem die Lotpaste Sn96Ag4 als leistungsfähigstes Material identifiziert wird, bei gleichzeitiger Empfehlung für weiterführende Forschung an Silberleitklebern.
Schlüsselwörter
Eingebettende Stereolithographie, eSLA, Leitfähige Strukturen, Dispensverfahren, Silberleitkleber, Ruß-Polymer-Mischungen, Lotpaste, Stromtragfähigkeit, Spezifische Leitfähigkeit, Materialkompatibilität, Laserstrahlung, Indium-Zinn-Oxid, Intrinsisch leitfähige Polymere, 3D-Baugruppen, Mechatronische Systeme.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Studienarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Erzeugung elektrisch leitfähiger Strukturen innerhalb eines generativen, hybriden Fertigungsprozesses, der als "eingebettende Stereolithographie" (eSLA) bezeichnet wird.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Zentral sind die Untersuchung von Füllstoff-Dispersionen in Harzen, die lasergestützte thermische Modifikation von Lotpasten und ITO sowie die Eignung intrinsisch leitfähiger Polymere für diesen speziellen Fertigungskontext.
Was ist das primäre Ziel der Forschung?
Ziel ist es, Materialsysteme zu identifizieren und experimentell zu bewerten, die sowohl dispensfähig sind als auch eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und Stromtragfähigkeit aufweisen, um mechatronische 3D-Baugruppen zu realisieren.
Welche wissenschaftlichen Messmethoden finden Anwendung?
Es werden Widerstandsmessungen (Multimeter, Vierspitzenmethode) und thermographische Untersuchungen zur Bestimmung der Stromtragfähigkeit unter kontrollierter Strombelastung durchgeführt.
Was steht im Hauptteil der Arbeit im Vordergrund?
Im Hauptteil werden experimentelle Daten zur Materialkompatibilität, Viskosität und Leitfähigkeit der verschiedenen untersuchten Stoffe erhoben und ihre Eignung für den schichtweisen Aufbau bewertet.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Forschungsarbeit?
Die Arbeit wird maßgeblich durch Begriffe wie eSLA, Material-Auftrags-Verfahren, elektrische Perkolation, Leitpfadgüte und Prozessintegrierbarkeit bestimmt.
Warum konnte bei den Silber-Harz-Mischungen keine Leitfähigkeit gemessen werden?
Trotz der Verwendung von Silberpartikeln führte eine mangelnde Oberflächenchemie bzw. ein Entmischen der Komponenten bei der Herstellung dazu, dass keine durchgängigen Leitpfade innerhalb des Matrixmaterials erreicht wurden.
Wie unterscheidet sich die thermische Modifikation von Lotpaste vom regulären Lötprozess?
Im Gegensatz zum Standard-Lötprozess, bei dem die Paste zur Benetzung aufschmilzt, muss hier die Laserstrahlung gezielt genutzt werden, um Flussmittelbestandteile zu verdampfen, ohne einen "Balling-Effekt" zu verursachen, der die leitfähige Struktur zerstören würde.
- Citation du texte
- Dipl.-Wirtsch.-Ing. Christian Biewald (Auteur), 2008, Erzeugung elektrisch leitfähiger Strukturen für die Stereolithographie, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/178771
