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Gedruckte Elektronik in 3D: Reif für den Massenmarkt

Gedruckte Elektronik in 3D, auch als 3D Structural Electronics bezeichnet, stattet alle möglichen Objekte mit elektronischen Zusatzfunktionen aus. Neue Materialien und Druckprozesse bilden die Basis.

Sie steckt in Turnschuhen und T-Shirts, in Fahrzeugen, Haushaltsgeräten und zahlreichen anderen alltäglichen Dingen: Gedruckte Elektronik revolutioniert viele Branchen, denn sie ist so leicht, dünn, flexibel und robust, dass sie sich unauffällig in nahezu beliebig geformte Objekte integrieren lässt. „Mit gedruckter Elektronik lässt sich die steigende Nachfrage nach smarten Produkten mit anspruchsvollen elektronischen Zusatzfunktionen erfüllen – und das bei vollkommener Designfreiheit“, betont Klaus Hecker, Geschäftsführer der Organic and Printed Electronics Association (OE-A). Seit einigen Jahren beobachtet Hecker zudem ein zunehmendes Interesse verschiedener Anwenderindustrien an individualisierbaren Fertigungsprozessen:

Das Ziel ist die Herstellung von maßgeschneiderten smarten Produkten zu konkurrenzfähigen Kosten.

Dr. Klaus Hecker, Geschäftsführer der Organic and Printed Electronics Association (OE-A)

„Wenn man die digitalen Fertigungstechnologien Inkjetdruck und Laserbearbeitung geschickt in Umgebungen der Massenfertigung integriert, können Produkte in-line individualisiert werden“, erklärt Professor Reinhard Baumann vom Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS: „Unikate lassen sich so mit Verfahren der Massenfertigung herstellen.“ In dem von ihm koordinierten Fraunhofer-Projekt „Go Beyond 4.0“ entwickeln Forscher aus sechs Fraunhofer-Instituten zum Beispiel gedruckte Heizstrukturen für den Flugzeugbau sowie eine smarte Autotür mit Leiterbahnen, Sensoren, Schaltern und Leuchtdioden, die teilweise direkt auf die Karosserieteile gedruckt werden.

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Neue Materialien und Prozesse im Fokus

Druckmaterialien mit elektronischen Eigenschaften bilden die Grundlage für 3D Structural Electronics. Dr. Hongye Sun vom Karlsruhe Institute of Technology hat eine extrem dehnbare silberhaltige Tinte entwickelt, die auf der sogenannten Kapillarsuspension basiert: Eine Substanz, die sich nicht mit der Hauptkomponente der Tinte mischt, bildet Brücken zwischen den Silberpartikeln.

In der Fertigung von 3D Structural Electronics stehen mittlerweile mehrere Prozesse zur Auswahl. Eine Alternative zum direkten Bedrucken von 3D-Teilen ist die Thermoverformung von auf Kunststoff gedruckten 2D-Komponenten. Zwei sächsische Unternehmen bieten hierfür Systeme an: Adenso hat eine Rolle-zu-Rolle-Drucktechnik mit integriertem Umformungsprozess für die Massenproduktion von 3D-Elektronik entwickelt. watttron wiederum hat ein spezielles Heizsystem für die Thermoverformung im Angebot: Es basiert auf vielen kleinen Heizpixeln, deren Temperatur sich individuell programmieren und regeln lässt. Neben dem Thermoformen kommt vor allem der Spritzguss in der Produktion von 3D Structural Electronics zum Einsatz. Vorreiter auf diesem Gebiet ist das finnische Unternehmen TactoTek. Mit dessen Spritzgusstechnik IMSE (Injection Molded Structural Electronics) lassen sich gedruckte elektronische Komponenten in 3D-Bauteile integrieren.

„Welche Materialien und Techniken sich am besten zur Herstellung von 3D Structural Electronics eignen, hängt von der jeweiligen Anwendung ab“, betont Klaus Hecker. „Als Branchenverband bieten wir Interessierten aus allen Industriesektoren eine umfassende Entscheidungshilfe an.“

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