AM für Elektronikkomponenten Was bringt der 3D-Druck in der Elektronik?

Von Niko Mroncz*

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Wie und warum liefert die additive Fertigung schnellere Design- und Produktionsprozesse? Im Folgenden wird ein Einblick in den 3D-Druck mechanischer Komponenten für die Elektronik gegeben.

Im additiven Verfahren wird zum Beispiel die Antenne eines Mobiltelefons direkt mit in das Bauteil gedruckt.
Im additiven Verfahren wird zum Beispiel die Antenne eines Mobiltelefons direkt mit in das Bauteil gedruckt.
(Bild: Gemeinfrei // Pixabay)

Besonders attraktiv ist die Möglichkeit, mehrere Materialien in einem einzigen Druckauftrag zu kombinieren. Weil die Anwendung von 3D-Technologien immer einfacher wird, ist zudem ein deutlich schnelleres Prototyping realistisch. Das reduziert Vorlaufzeiten, Kosten und Fehler im Produktionsprozess.

Mit dem 3D-Druck wird zudem die On-Demand-Produktion eines elektronischen Bauteils mit fester Vorlaufzeit und begrenzter Kostenstruktur möglich. Dadurch verkürzen sich die Entwicklung und Markteinführung erheblich. Diese Möglichkeit dürfte die Lieferketten für Elektronikkomponenten verändern, denn Herstellende können damit unmittelbar auf Kundennachfragen eingehen. Auf der Produktionsplattform Xometry Europe vermitteln wir täglich zahlreiche Aufträge im On-Demand-Prozess. Aus diesen umfassenden Erfahrungen zum Thema haben wir Tipps und Hinweise für die erfolgreiche additive Produktion von elektronischen Bauteilen zusammengestellt:

Design: Mehr Spielraum für Innovation und individuelle Anpassung

Designende erhalten mit dem 3D-Druck deutlich größeren Freiraum für innovative Ideen und müssen nicht mehr dieselben Designs verwenden. SLS- und MJF-Technologien eignen sich selbst für komplexe Designs und inzwischen auch für die Serienproduktion. Im Vergleich zu konventionellen Verfahren lassen sich mit der additiven Fertigung sehr schnell größere Stückzahlen von Elektronikgehäusen, Steckplatinen und so weiter herstellen.

Bei der Verwendung des 3D-Drucks für Solarmodule beispielsweise können Produktdesignende die konventionellen Regeln brechen. Das gilt nicht nur für die äußere Struktur, sondern auch für die internen Schaltkreise. So lassen sich die Leistung der Komponenten verbessern, Größe und Gewicht verringern und gleichzeitig komplexe und präzise Geometrien realisieren.

Ein 3D-Modell wird komplett am Computer generiert und gedruckt, so dass nur ein geringer Spielraum für Fehler bleibt. In den herkömmlichen Produktionsverfahren wird die Schaltung erst in einem späteren Stadium hinzugefügt. Bei der additiven Herstellung hingegen druckt man die eingebaute Schaltung bereits zusammen mit dem Bauteil. Sie ist also eingekapselt, was sie vor äußeren Schäden schützt. So kann zum Beispiel die kleine Antenne eines Mobiltelefons direkt in das Telefon gedruckt werden.

Prototyping: Tempo und neue Materialien

Die Geschwindigkeit und einfache Anwendung der additiven Fertigung sind ideal für die schnelle Herstellung von Prototypen. Dabei ist der Druck mit dem Multi-Jet-Fusion Verfahren (MJF) eine relativ kostengünstige Möglichkeit, die häufig gewählt wird.

Das Fused Deposition Modeling (FDM) ist die zugänglichste Form der additiven Fertigung und eine sinnvolle Alternative. FDM ist für das Prototyping die billigste und beste Technologie, weil sie sehr einfach einzusetzen und das Druckmaterial günstiger ist. Der gesamte Prozess wird damit im Vergleich zu konventionellen Verfahren billiger, Neugestaltung und Analyse sind innerhalb kürzerer Zeit möglich.

Elektronikteil 3D-gedruckt.
Elektronikteil 3D-gedruckt.
(Bild: Xometry)

Elektronische Produkte wie Leiterplatten hängen hauptsächlich von zwei Arten von Materialien ab: einem isolierenden, dielektrischen Substrat, sowie leitenden Elementen. In letzter Zeit werden neuere Polymer-Werkstoffe mit niedriger Dielektrizitätskonstante und halbleitende Polymer-Werkstoffe, beide mit einstellbaren elektronischen Eigenschaften, für den Einsatz angepasst. Diese innovativen Materialien bieten in Verbindung mit dem 3D-Druck neue Chancen für Design und Innovation.

Technologien wie SLA oder Carbon-DLS verwenden Kunststoffe, die von Natur aus fließfähig sind und eine gute Oberflächenqualität aufweisen. Sie sind zudem flexibel und wasserbeständig - eine wertvolle Ergänzung für moderne Elektronikanwendungen. Kommt es in erster Linie auf enge Toleranzen und Präzision an, sind diese beiden Technologien die richtige Wahl. Hochauflösende Prototypen und Funktionsprototypen sind weitere Anwendungen von SLA und Carbon-DLS.

Weniger Materialverschwendung und Umweltschäden

Einer der großen Vorteile des 3D-Drucks ist, dass weniger Abfall als bei herkömmlichen, subtraktiven Verfahren produziert wird. Das gilt auch in der Elektronik. So entfallen beim 3D-Druck zusätzliche Verdrahtung und Schaltkreise. Darüber hinaus werden bei gedruckter Elektronik mehrere Schritte, die bei der konventionellen Produktion erforderlich sind, auf einen einzigen Schritt reduziert. Das macht auch die Montage einfacher.

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Überschüssiges Material wird konventionell meist mit schädlichen Chemikalien weggeätzt. Das entfällt bei der additiven Fertigung, weil die Folie ohne zusätzliche Schritte direkt an Ort und Stelle gelegt wird.

* Niko Mroncz ist Sales Engineer bei Xometry Europe.

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