Werkzeuglose Fertigung von funktionalisierten 3D-Kunststoffbauteilen durch die Kombination von generativen Verfahren und laserbasierter selektiver Metallisierung

Motivation

Die Fertigung verschiedenster Komponenten mittels additiver Verfahren erlangt im Zuge der zunehmenden Individualisierung von Produkten immer größere Bedeutung. Im Gegensatz zu konventionellen Herstellungsprozessen ist die additive Fertigung als werkzeugloses Verfahren auch bei kleinen Stückzahlen bis hin zur Losgröße 1 wirtschaftlich; der Initialaufwand ist sehr gering und die Designflexibilität hoch. Für kunststoffbasierte mikrosystemtechnische Baugruppen besteht die Notwendigkeit zur Integration von Leiterstrukturen auf der 3D-Bauteiloberfläche. Mit dem laserbasierten ProtoPaint LDS-Verfahren können Leiterstrukturen zwar auf 3D-Bauteilen erzeugt werden, aber das manuelle aufbringen des Lacks, die geringe Topfzeit und der Verbleib des Lacks auf den Bauteilen nach der Metallisierung machen die Technik hauptsächlich nur für das Prototyping interessant. Im vorliegenden Projekt sollte ein Verfahren zur selektiven Metallisierung von additiv gefertigten 3D-Kunststoffbauteilen erarbeitet werden, das die Fertigung über das Prototyping hinaus erlaubt.

Vorgehen

Über Digital Light Processing (DLP), eine Variante der Stereolithografie, werden zunächst 2D-, später 3D-Bauteile erzeugt. Die Metallisierung erfolgt stromlos mit einem Kupferelektrolyten durch vorangegangene Aktivierung mit Pd-Keimen. Die selektive Anlagerung der Pd-Keime an die Bauteile soll durch Laserstrukturierung erfolgen. Dazu wurden 3 unterschiedliche Ansätze verfolgt:

Ansatz A: Entwicklung von funktionalen Pd-Keimen. Die funktionalen Keime sollen sich selektiv an die aufgerauten und oxidierten laserstrukturierten Bereiche des Substrats anlagern.

Ansatz B: Entwicklung eines bindemittelhaltigen Precursor-basierten Pd-Aktivatorsystems. Aufbringen des Aktivatorsystems auf die Substrate. Durch den Energieeintrag des Lasers sollen aus dem Precursor Pd-Keime erzeugt werden. Entfernung des restlichen Aktivatorsystems durch Strippen.

Ansatz C: Aufbringen eines kommerziellen positiven Fotolacks auf die Substrate. Bei der Laserstrukturierung wird der Lack zerstört, die darunterliegenden Bereiche werden selektiv mit Pd/Sn-Keimen aktiviert. Entfernung des restlichen Lacks durch Strippen. Als Material für die DLP-gefertigten 3D-Bauteile wurde PlastCure Rigid 10500 verwendet, ein Acryl- und Epoxid-basiertes Photopolymer, gefüllt mit Silicapartikeln. Die Laserstrukturierung wurde mit einem Pikosekunden-Laser (532 nm) durchgeführt.

Fazit

Es wurden erfolgreich selektiv Leiterbahnstrukturen auf additiv gefertigten 2D- und 3D-Bauteilen erzeugt. Die Konzepte A und B zeigten im Ansatz brauchbare Ergebnisse, sind aber zu sehr von den Oberflächeneigenschaften des gelaserten Substrats bzw. dem Lasereintrag abhängig. Ansatz C hingegen kann mit kommerziell verfügbaren Materialien leicht umgesetzt werden. Eine Integration des Verfahrens in bestehende Produktionsprozesse ist problemlos möglich. Zudem ist das Konzept substratunabhängig und kann daher auch auf anderen Materialien angewandt werden.

Acknowledgement

Das IGF-Vorhaben IGF 19555 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Inkjet-Druck von Pd-Keimen als Aktivator für die außenstromlose Metallisierung zur volladditiven Herstellung von Leiterbahnstrukturen

Background

Kupferkaschierte Verbundwerkstoffe wie FR4 stellen in der klassischen Leiterplattentechnologie das Ausgangsmaterial für die Fertigung von elektronischen Schaltungsträgern dar. Der lithografie- und ätzbasierte Herstellungsprozess ist zwar etabliert, bis zur fertigen Leiterplatte ist aber eine lange Prozesskette notwendig. Des Weiteren sind subtraktive Prozesse im Hinblick auf Ressourcenschonung und Abfallvermeidung nachteilig. Digitale Drucktechniken wie Inkjet stellen insbesondere durch kurze Prozessketten und hohe Layoutflexibilität sehr interessante Alternativen zur Erzeugung von Leiterbahnstrukturen dar. Das Drucken von Silber- bzw. Goldnanopartikeltinten ermöglicht zwar das direkte Aufbringen von Leiterstrukturen, aber die hohen Temperaturen zum Versintern der Nanopartikel nach dem Drucken, die geringe Stromtragfähigkeit der gesinterten Strukturen sowie die hohen Kosten für die Edelmetalltinten schränken das Verfahren in der Praxis stark ein. Um die Vorteile des digitalen Funktionsdrucks bei der Herstellung von Leiterbahnstrukturen dennoch nutzen zu können, kann der Inkjet-Druck mit der außenstromlosen Metallisierung kombiniert werden. Dazu wird der für die Metallisierung notwendige Aktivator (Pd-Keime) mittels digitaler Drucktechnik definiert aufgebracht. Eine Metallisierung erfolgt dann nur auf den zuvor bedruckten Bereichen. Mit dieser Technik können Kupfer- bzw. Nickelleiterstrukturen mit hoher Stromtragfähigkeit volladditiv in einem kostengünstigen Prozess auf einer Vielzahl von Kunststoffsubstraten erzeugt werden; die Post-Sinterung der aufgebrachten Strukturen entfällt.

GOAL

Ziel des Projekts war die Erarbeitung eines kombinierten Verfahrens aus Inkjet-Druck und außenstromloser Metallisierung als vielversprechender Ansatz zur volladditiven Herstellung von Leiterbahnstrukturen auf unterschiedlichen Kunststoffen. Der Fokus lag auf der Entwicklung von Pd-basierten Aktivatortinten. Neben einer ausreichenden Aktivität der Pd-Keime und einer guten Druckbarkeit der entwickelten Tinten, war die Haftfestigkeit der abgeschiedenen Kupfer- bzw. Nickelstrukturen auf den jeweiligen Substraten von besonderem Interesse. Diese wurde durch den Einsatz von Primern und der Zugabe von Haftvermittlern in die Tintenformulierung erhöht.

Acknowledgement

Das IGF-Vorhaben 21424 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Niedertemperatur-Sintern von gedruckten Leitstrukturen aus Edelmetall-Nanopartikel-Tinten

Motivation

Der Einsatz von jettenden digitalen Drucktechnologien, wie beispielsweise der Inkjet- oder der Aerosol Jet-Technologie, stellt eine kostengünstige Alternative zu derzeitigen kommerziellen Fertigungsansätzen dar. Digitale Druckverfahren ermöglichen volladditive und dadurch auch ressourcenschonende und umweltfreundliche Prozesse. Zudem erlauben digitale Drucktechnologien prinzipiell auch die Realisierung von Leiter- und Sensorstrukturen auf dreidimensionalen Substraten.

Um bei den gedruckten Leiterstrukturen hohe Leitfähigkeiten zu erzielen, müssen kommerziell erhältliche nanopartikuläre Edelmetalltinten zur Maximierung des Partikelkontakts bei vergleichsweise hohen Temperaturen gesintert werden. Auf vielen temperatursensitiven Substratmaterialien wie z.B. PMMA, können daher digitale Drucktechnologien aktuell zur Erzeugung von leitfähigen Strukturen nur bedingt eingesetzt werden. Weiterhin werden für medizintechnische Anwendungen, wie z.B. bei polymerbasierten Fluidik-Chips, biokompatible Tinten auf Goldbasis benötigt, die bei geringen Temperaturen gesintert werden können.

Vorgehen

Im ersten Teil des Projekts wurden geeignete kommerziell erhältliche Silber- und Goldtinten ausgewählt und hinsichtlich ihrer Beschaffenheit im Detail analysiert. Darüber hinaus wurde das allgemeine Sinterverhalten der ausgewählten Tinten untersucht. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde im zweiten Teil des Projekts ein chemisches Verfahren ausgearbeitet, mit dem die vorliegenden Tinten bereits bei niedrigen Temperaturen (≤ 100 °C) ausgesintert werden können. Als Substrate wurden, mit dem Schwerpunkt auf kostengünstige Thermoplaste, die für die Industrie relevanten Materialien PMMA, PC und COC verwendet.

Zusammenfassung der Ergebnisse

Als Ausgangsmaterialien für die zu erarbeitenden niedrigsinternden Tintensysteme dienten drei kommerzielle Silber- und eine Goldtinte. Die Untersuchungen der Tinten bezüglich des Aufbaus und der Zusammensetzung ergaben Ähnlichkeiten in der Partikelgröße und im Füllgehalt, jedoch große Unterschiede in den Lösemittelsystemen und der jeweiligen Partikelstabilisierung.

Mit der kommerziellen Goldtinte wurde ein niedrigsinterndes Tintensystem unter Verwendung von Tetrachlorogoldsäure entwickelt. Im Vergleich zu den Silbertinten konnte bei der Goldtinte, aufgrund eines leicht oxidierbaren Partikelstabilisators und eines reduktiv wirkenden Lösemittelsystems, auf ein Reduktionsmittel verzichtet werden. Der Widerstand eines inkjetgedruckten Zweikomponentensystems, bestehend aus Goldtinte und Tetrachlorogoldsäure, war beim Niedertemperatursintern gegenüber der unbehandelten Goldtinte um den Faktor 1000 geringer. Unter Verwendung des erarbeiteten niedrigsinterten Goldtintensystems wurde als Demonstrator erfolgreich eine mäanderförmige Heizstruktur aufgebaut, welcher die Möglichkeiten der drucktechnischen Anwendungen leitfähiger Strukturen auf temperaturempfindlichen Substraten veranschaulichte.

Fazit

In dem Projekt wurden wertvolle Erkenntnisse zur Realisierung niedrigsinternder nanopartikulärer Gold- und Silbertintensysteme mittels eines chemischen Verfahrens gewonnen. Die erzielten Ergebnisse bilden eine wichtige Grundlage zur Entwicklung marktfähiger Produkte, welche KMUs erlauben, jettende digitale Drucktechniken für das Drucken von Leiterbahn- und Sensorstrukturen auf Substratmaterialien mit geringer Temperaturbeständigkeit einzusetzen.

Acknowledgement

Das IGF-Vorhaben 18686 N der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Aufbereitung von Neodym-Magneten aus Elektroantrieben

Stand heute beschränkt sich die Rückgewinnung Magnet-assoziierter Seltener Erden in der Hauptsache auf Produktionsabfälle, wogegen im Post-Consumer-Bereich nach eigenen Untersuchungen die dargestellten Stoffströme noch immer einen weitgehenden Verlust dieser Stoffe in Hausmüllverbrennungs- und Metallurgieschlacken nahelegen.

Anspruch des vorgeschlagenen Vorhabens ist die Ausarbeitung eines Aufbereitungsprozesses für alte NeodymEisenBor-Magnete (NIB), der ein Produkt für die werkstoffliche Verwertung in der Herstellung von neuen Magneten liefert.

In der Literatur und eigenen Vorarbeiten wurden permanent erregte Elektromotoren mit Neodym-Eisen-Bor-Hochleistungsmagneten (NIB) als lohnende Altgerätekomponenten für die Rückgewinnung der magnet-assoziierten Seltenen Erden (SE) identifiziert. Deren Aufbereitung setzt aber eine Voranreicherung durch Ausbau und gegebenfalls Teildemontage zum Beispiel aus Maschinen und zukünftig aus Altfahrzeugen als den beiden wichtigsten Mengenströmen voraus. In existierenden vielstufiger Verwertungskaskaden der Schrott- und Altgeräteverwertung werden alte Elektromotoren als separate Schrottqualität gehandelt, die aktuell vollständig nach Asien exportiert wird. SE-Inhalte werden bislang unseres Wissens aber nicht vergütet. Vorliegende Untersuchungen zur Rückgewinnung lassen erkennen, das zwar eine rohstoffliche Verwertung von isoliertem Magnetschrott auf hydrochemischem Wege technisch und wirtschaftlich realisierbar erscheint, für die notwendig vorangehende Abtrennung der Magnete aus Altgeräten jedoch zu aktuellen Schrottpreisen die Erlöse zumindest in Hochlohn-Ländern den Aufwand der Demontage nicht decken.

Daraus ergibt sich die Schlussfolgerung, dass eine Separierung von SE-angereicherten Schrottqualitäten, wie beispielsweise der abgebildete Rotor aus dem Antrieb einer Werkzeugmaschine, nur stattfinden wird, wenn für KMU-Akteure auf frühen Stufen existierender Verwertungskaskaden wie Reparaturbetriebe für Elektromotoren, Wartung von Aufzügen, Altfahrzeug- und sonstige Schrottverwerter ein größerer finanzieller Anreiz in Form einer angemessenen Vergütung für enthaltenen Selten Erden geschaffen wird.

Das angestrebte werkstofflich verwertbare Produkt bietet dafür insofern einen Ansatzpunkt, als es zu höheren Preisen vermarktbar sein dürfte als rohe Altmagnete, die in die rohstoffliche Verwertung eingespeist werden. Allerdings setzt dies die Abtrennung von in realen Schrotten vorhandenen Störstoffen (Beschichtungen, Schmutz, Korrosionsprodukte) voraus, die die Qualität neuer Magnete beeinträchtigen. Solche Ansätze sind unseres Wissens in der Literatur bisher nicht beschrieben. Ziel ist folglich die Entwicklung von Aufbereitungsprozessen zur Abtrennung und Reinigung von Altmagneten von Störstoffen wie Beschichtungen und Verunreinigungen, die bei einer werkstofflichen Nutzung die Magneteigenschaften verschlechtern. So hergestellte Produkte werden mittels chemischer Analysen detailliert hinsichtlich der wertigen SE-Inhalte und der Störstoffe (Sauerstoff, Fremdmetallverunreinigungen etc.) charakterisiert. Genügende Reinheit vorausgesetzt, könnte das Produkt durch Verschneiden mit Neumaterial zur Einstellung einer definierten Zusammensetzung in die pulvermetallurgischen Magnetherstellung eingehen.

Beschleunigter Test der dynamischen Solar-Umkehrosmose

Background

844 Millionen Menschen haben keinen Zugang zu sauberem Wasser. Da Wassermangel alle Aspekte des Lebens beeinflusst, wird die Trinkwasserknappheit zu einem der größten globalen Probleme. 96 Prozent des weltweiten Wasservorkommens sind innerhalb der Ozeane gebunden, welche durch ihren hohen Salzgehalt nicht direkt als Trinkwasser genutzt werden können. Die für die Meerwasserentsalzung am häufigsten verwendeten Technologien sind das Membranverfahren und thermische Verfahren. Unter allen aktuellen Entsalzungstechnologien stellt die Umkehrosmose (RO) die zuverlässigste und einfachste Methode dar. Im Umkehrosmoseverfahren wird hoher Druck erzeugt, um Wasser gegen den osmotischen Fluss von der kontaminierten Seite der Membran auf die Seite mit sauberem Wasser zu pressen. Um solch hohe Drücke zu erreichen, ist ein erheblicher Energieaufwand erforderlich. Die am häufigsten verwendeten Energiequellen für Entsalzungsanlagen sind fossile Brennstoffe. Aufgrund der in Gebieten mit Wasserknappheit meist begrenzten Verfügbarkeit dieser und der kritischen Klimaauswirkungen, bietet ein Wechsel hin zur erneuerbaren Energieressource Solarenergie in diesen Einsatzgebieten eine vielversprechende Alternative. Jedoch sind die über den Tag verteilten großen Schwankungen der Sonnenleistung eine große Herausforderung für photovoltaikbetriebene Umkehrosmose-Anlagen (PVRO-Systeme). Die derzeit auf dem Markt erhältlichen konventionellen Systeme benötigen daher Stromspeicher (Batterien). Batterien sind jedoch sehr teuer und haben eine begrenzte Lebensdauer. Die Notwendigkeit einer austauschbaren Batterie erhöht die Produktions- und Wartungskosten für Trinkwasser. Zusätzlich zu den genannten Kosten erfordert die Verwendung von Batterien mehrere Energieumwandlungsschritte. Diese Umwandlungen erhöhen die Komplexität des Systems und führen bei jedem Schritt zu Energieverlusten, wodurch die Effizienz des gesamten RO-Prozesses abnimmt.

Im Grino-System wird die Batterieeinheit ersetzt. Standard-RO-Einheiten arbeiten typischerweise unter konstanten Bedingungen. Da die Ausgangsleistung von Photovoltaik-(PV)-Modulen im Laufe des Tages je nach Sonnenstand zwischen 0 und 1300 W/m2 variiert, kann eine herkömmliche RO-Systempumpe mittels Photovoltaikversorgung nur für einen begrenzten Zeitraum mit konstanter Nennleistung betrieben werden. Im Vergleich zu den auf dem Markt erhältlichen Anlagen soll das Grino System vollständig auf die vorhandene Solarleistung anpassbar sein. Dazu wurde von der Grino Water Solutions GmbH die Power-Management-Einheit entwickelt. Diese soll die Schwankungen der Solarenergie durch Regelung von Drehzahl der Pumpe und Druck auf die Membranen ausgleichen.

Zielsetzung des Forschungsprojektes ist die Analyse der wirtschaftlichen und technischen Machbarkeit eines PVRO-Systems unter variablen Betriebsbedingungen. Bislang fehlen verlässliche praktische bzw. betriebsrelevante Verfahrenskenndaten, z.B. welche Auswirkung die Standzeit der Membranen und die Systemlaufzeit auf Effekte wie Scalling und Biofouling hat. Ebenso gibt es so gut wie keine verlässlichen Langzeitmesswerte der erzeugten Trinkwasserqualität in Abhängigkeit von der Betriebsdauer und bei diskontinuierlicher Betriebsweise der Umkehrosmose-Einheit. Daher besteht für die Weiterentwicklung und die Vermarktung des innovativen, umweltfreundlichen und zu 100 % solarbetriebenen PVRO-Systems ein sehr hohes Entwicklungs- und Kostenrisiko. In diesem FuE-Projekt sollen daher die technischen Auswirkungen dynamischer Betriebsparameter auf die Membraneigenschaften untersucht und die sich einstellende Wasserqualität nach einer realen Lebensdauer der Membran überprüft und kontinuierlich erfasst werden. Außerdem soll ein möglicher negativer Einfluss der Betriebsweise auf die Wasserqualität des erzeugten Trinkwassers identifiziert und beseitigt werden.

Acknowledgement

Wir danken der deutschen Bundesstiftung Umwelt für die finanzielle Unterstützung der Arbeiten am Projekt DBU 35511/01-23.