Additive Fertigung Temperaturbeständiges Gehäuse mit Chip gedruckt

Von Stefan Guggenberger

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Forschern der TU Chemnitz ist es erstmals gelungen ein Gehäuse für leistungselektronische Bauelemente per 3D-Druck herzustellen. Das Gehäuse hält bis zu 300 Grad Celsius aus und verfügt über einen eingedruckten Chip. Welche Vorteile das neuartige Gehäuse bietet.

In einem Labor der TU Chemnitz werden beim 3D-Druck von Gehäusen für leistungselektronische Bauelemente keramische und metallische Pasten genutzt, um die Bauteilgeometrie zu erzeugen.
In einem Labor der TU Chemnitz werden beim 3D-Druck von Gehäusen für leistungselektronische Bauelemente keramische und metallische Pasten genutzt, um die Bauteilgeometrie zu erzeugen.
(Bild: TU Chemnitz Pressestelle // Jacob Müller )

Erstmals ist es Forschern der Technischen Universität (TU) Chemnitz gelungen, Gehäuse für leistungselektronische Bauelemente mit dem 3D-Drucker herzustellen. Diese können beispielsweise zur Ansteuerung elektronsicher Maschinen genutzt werden. Besonders dabei ist, dass Siliziumcarbid-Chips schon in den Druckvorgang integriert und auch mit dem Bauteil gesintert werden. Die neuen Bauteile sollen so Temperaturen bis zu 300 Grad aushalten und zudem langlebiger als herkömmliche sein.

Temperaturbeständige Leistungselektronik ist gefragt

Das Team der Professur Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe hat bereits Erfahrung mit dem 3D-Druck. Schon 2018 präsentierte es auf der Hannover Messe einen gedruckten Motor aus Eisen, Kupfer und Keramik. Und auch bei dem aktuellen Gehäuse kommen metallische und keramische Pasten zum Einsatz. „Diese werden nach dem Druckvorgang, zusammen – und das ist das Besondere daran - mit dem eingedruckten Chip gesintert“, erklärt Prof. Dr. Ralf Werner, Inhaber der Professur Elektrische Energiewandlungssystem und Antriebe. Dabei dient die Keramik als Isolationsmaterial und Kupfer zur Kontaktierung der Gate-, Drain- und Source-Flächen der Feldeffekttransistoren.

„Der Wunsch nach einer temperaturbeständigeren Leistungselektronik war naheliegend, denn die Gehäuse für leistungselektronische Bauelemente werden traditionell möglichst nahe am Motor installiert und sollten daher über eine ebenso große Temperaturbeständigkeit verfügen“, ergänzt Prof. Werner.

3D-gedrucktes Gehäuse hat viele Vorteile

Neben der Temperaturbeständigkeit bis 300 Grad Celsius erhoffen sich die Forscher noch weitere Vorteile. So wird von einer längeren Lebensdauer des Bauteils ausgegangen, weil die beidseitige, flächige und lotfreie Kontaktierung der Chips bei Lastwechselzyklen stabiler ist und eine bessere Kühlung ermöglicht. Aufgrund der im Vergleich zu Kunststoffen höheren thermischen Leitfähigkeit der Keramik und der für den 3D-Druck üblichen Designfreiheit lassen sich leicht speziell angepasste Kühlgeometrien im Gehäuse und an dessen Oberfläche realisieren“, versichert Johannes Rudolph vom Forschungsteam. Außerdem sei es von Vorteil, dass für die Produktion des eigentlichen Gehäuses nur ein einziger Arbeitsschritt notwendig ist, der vom 3D-Drucker ausgeführt wird.

Verfahren soll fit für den Markt werden

Nun wollen die Wissenschaftler der TU Chemnitz das von ihnen entwickelte Verfahren für den Markt weiterentwickeln. Um dieses Ziel zu erreichen, laden die Wissenschaftler auch potenzielle Partner ein, die sich beispielsweise an gemeinsamen Forschungsprojekten beteiligen könnten.

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