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.
Danksagung
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.
