Neues Herstellungsverfahren 16.12.2022, 07:00 Uhr

Durchbruch für den 3D-Druck von Verbundstrukturen

Forschende haben ein neues 3D-Druckverfahren entwickelt. Damit soll es sogar möglich sein, flache Schaltkreise zu stapeln. Bei dem mehrstufigen Prozess werden auch Chemikalien als Vorstufe eingebunden, die als undruckbar galten. Der Druck komplexer Elektronik könnte damit möglich werden.

Platine

Lassen sich komplexe Strukturen wie diese Fantasieplatine eventuell drucken?

Foto: panthermedia.net/Inokos

Der 3D-Druck hat sich in den vergangenen Jahren enorm entwickelt. Die Verfahren werden immer schneller, und sogar Bauteile in größeren Dimensionen werden vermutlich bald aus dem Drucker stammen. Das Potenzial des 3D-Drucks ist damit aber noch lange nicht ausgeschöpft. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten unter anderem daran, Metallmustern auf Kunststoffteilen besser drucken zu können. Das hat einen einfachen Grund: Solche 3D-Druckverfahren könnten die Herstellung von Elektronik der nächsten Generation revolutionieren. Ein Forschungsteam aus Japan und Singapur ist der Umsetzung einen großen Schritt nähergekommen.

3D-Druck vor dem Durchbruch zur Serientauglichkeit?

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3D-Druck wird für die Herstellung komplexer Strukturen benötigt

Metall-Kunststoff-Verbundstrukturen aus dem 3D-Drucker haben ein breites Anwendungspotenzial: Sie werden unter anderem für intelligente Elektronik, die Mikro- und Nanosensorik sowie für das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) benötigt. Sogar beim Thema Quantencomputing könnten sie eine Rolle spielen. Geräte, die mithilfe solcher Strukturen hergestellt werden, bieten einen höheren Grad an Gestaltungsfreiheit und können komplexer aufgebaut sein, obwohl sie insgesamt kleiner sind. Die derzeitigen Methoden zur Herstellung solcher Teile sind jedoch teuer und kompliziert.

Hinzu kommt, dass gerade Roboter und IoT-Geräte in einem extrem hohen Tempo weiterentwickelt werden. Entsprechend groß ist der Bedarf an Technologien, die auch ihre Herstellung vereinfachen. Dabei steht der 3D-Druck im Fokus. Denn obwohl bestehende Technologien 3D-Schaltkreise drucken können, ist das Stapeln flacher Schaltkreise immer noch ein Problem.

3D-Drucker verarbeitet Vorstufen benötigter Chemikalien

Das internationale Forschungsteam hat nun ein neues sogenanntes Multimaterial-Digital-Light-Processing-3D-Druckverfahren (MM-DLP3DP) vorgestellt. Mit ihm soll es möglich sein, die benötigten Metall-Kunststoff-Verbundstrukturen zu produzieren. Bei dem MM-DLP3DP-Verfahren handelt es sich um einen mehrstufigen Prozess, der mit der Vorbereitung der aktiven Vorstufen beginnt. Denn es gibt Chemikalien, die benötigt werden, sich aber nicht im 3D-Druckverfahren drucken lassen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verwenden daher andere Chemikalien, die sich später in die gewünschten Stoffe umwandeln lassen. Beispielsweise werden Palladiumionen zu lichtgehärteten Harzen hinzugefügt, um die aktiven Vorstufen herzustellen. Dies geschieht, um die stromlose Beschichtung (electroless plating, ELP) zu fördern. Das Verfahren beschreibt die autokatalytische Reduktion von Metallionen in einer wässrigen Lösung zur Bildung einer Metallschicht.

Schneller 3D-Druck: Forschenden gelingt ein Durchbruch

Anschließend werden mit dem MM-DL3DP-Drucker Mikrostrukturen hergestellt, die verschachtelte Bereiche aus dem Harz oder dem aktiven Vorläufer enthalten. Schließlich werden diese Materialien direkt plattiert und mithilfe von ELP mit 3D-Metallmustern versehen.

3D-Drucker zeigt seine Stärken in diversen Praxistests

Das Forschungsteam hat sein neues Verfahren direkt verschiedenen Praxistests unterzogen und unterschiedliche Teile mit komplexen Topologien gedruckt, um die Herstellungsmöglichkeiten der neuen Technik zu demonstrieren. Darunter waren Bauteile mit Multimaterial-Schachtelschichten, etwa mikroporöse und winzige Hohlstrukturen, von denen die kleinste 40 Mikrometer groß war. Außerdem waren die Metallmuster auf diesen Teilen sehr spezifisch. Trotzdem war es nach Angabe der Forschenden möglich, das Gerät genau genug zu steuern. Das Team stellte auch 3D-Leiterplatten mit komplexen Metalltopologien her, wie eine LED-Stereoschaltung mit Nickel und eine doppelseitige 3D-Schaltung mit Kupfer.

„Mit dem MM-DLP3DP-Verfahren können beliebig komplexe Metall-Kunststoff-3D-Teile mit spezifischen Metallmustern hergestellt werden. Darüber hinaus kann die selektive Induzierung von Metallabscheidungen mithilfe aktiver Vorläuferstoffe eine höhere Qualität der Metallbeschichtungen ermöglichen“, sagt Professor Shinjiro Umezu vom Forschungsteam. Er ist überzeugt: „Zusammen können diese Faktoren zur Entwicklung hochintegrierter und anpassbarer 3D-Mikroelektronik beitragen.“

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler halten das neue Verfahren für einen Durchbruch bei der Herstellung von Schaltkreisen.

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Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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