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Druck- techno- logien

 

Im Bereich der Generativen Fertigung (Additive Manufacturing), also der gezielten strukturierten Aufbringung  von zwei- oder dreidimensionalen funktionalen Strukturen für verschiedenste Anwendungen (zum Beispiel im Elektronik- oder Medizintechnikbereich) spielen moderne Drucktechnologien eine Schlüsselrolle.

Je nach Applikation kommen dabei bei MATERIALS verschiedene Verfahren zum Einsatz:

  • Maskenlose berührungslose Digitalverfahren wie Tintenstrahldruck (Inkjet) oder Aerosoljetdruck, deren Vorteile unter anderem in der Variabilität der zu druckenden Strukturen liegt.
  • Kontaktverfahren wie Siebdruck oder Flexographie, wobei die Tinten mittels vorgefertigter Schablonen (Siebdruck) bzw. Klischees (Flexographie) auf die jeweiligen Substrate aufgebracht werden.

Tinten- strahl- druck

Beim Tintenstrahldruck werden Einzeltröpfchen (Drop-on-demand) von niederviskosen Tinten auf das zu bedruckende Substrat kontaktlos aufgebracht. Die Tröpfchen werden dabei mittels Piezotechnik aus Düsen im Druckkopf freigesetzt. Industrielle Druckköpfebestehen aus bis zu 2048 Druckdüsen, was einen hohen Parallelisierungsgrad ermöglicht. Bei MATERIALS stehen drei moderne Tintenstrahldrucker zur Verfügung, ein Dimatix DMP 2800 sowie zwei PIXDRO LP50 Druckplattformen, welche die Verwendung der wichtigsten industriellen Druckkopftypen ermöglichen. 

Druck von leitfähigen Strukturen
Gedruckter Touch-Sensor auf flexibler Folie
Tintenstrahldrucker bei MATERIALS
 

Aerosoljet- druck

Bei dieser Technologie der amerikanischen Fa. Optomec werden die Tinten entweder durch Ultraschall oder pneumatisch zerstäubt und das entstehende Aerosol kontinuierlich über ein Schlauchsystem zum Druckkopf geführt. Dieser fokussiert den Aerosol-Strahl durch ein Schutzgas auf die Substratoberfläche. Da sich die Düse ca. 1-5 mm über der Oberfläche befindet stellt dieser Prozess ein kontaktfreies Direktstrukturierungsverfahren mit hoher Auflösung (bis zu 10µm) dar und ermöglicht zudem auch die Verwendung nicht planarer Substrate und die Erzeugung von 2.5D-Strukturen.

Aerosoljetdruck bei MATERIALS

Siebdruck

Beim Siebdruck wird eine hochviskose Tinte oder Paste über ein vorstrukturiertes Sieb (Schablone) mittels einer Rakel auf das Substrat gebracht. Parameter wie Rakelgeschwindigkeit, Gewebefeinheit und Maschenweite des Siebs bestimmen das Druckergebnis. Bei MATERIALS wird Siebdruck mit einem Halbautomaten der Fa. Thieme (LAB 1000) unter anderem für die PyzoFlex®-Technologie eingesetzt.

Flexo- graphie

Bei der Flexographie wird die hochviskose Tinte oder Paste über eine Rakel auf die Farbauftragswalze aufgetragen, die anschließend das vorgefertigte Klischee mit den zu übertragenden Strukturen mit Tinte benetzt. In dem rollenbasierten Verfahren wird danach die Tinte vom Klischee auf das zu bedruckende Substrat übertragen. Parameter wie Aniloxvolumen (definiert die zu übertragene Tintenmenge) Druckgeschwindigkeit und Rollenabstand beeinflussen dabei die Qualität des Druckergebnisses.

Laborgerät Flexodruck
Farbauftragswalze
Flexogedrucktes Kupfer auf flexibler Folie

vom Material zum Device

Vom Material über den Prozess zum Device

In Abhängigkeit von der jeweiligen Drucktechnologie ist als erster Schritt die Formulierung einer druckbaren Tinte oder Paste mit der gewünschten Funktionalität (zum Beispiel Metall-Nanopartikel basierte Tinten für leitfähige Strukturen) notwendig. Der Druckprozess wird dabei für jede Anwendung optimiert: für eine erfolgreiche Druckprozessentwicklung ist ein tiefgründiges Verständnis der Komponenten Tinte, Substrat und Druckstrategie sowie der gegenseitigen Abhängigkeiten (zum Beispiel von Benetzung und Haftung) erforderlich. Ebenso entscheidend sind entsprechende Nachbearbeitungs (oder Postprocessing)-Schritte, wie zum Beispiel Trocknung oder thermisches oder photonisches Aushärten der gedruckten Strukturen (mittels UV, Laser oder Blitzlampe), um zum Beispiel die aufgebrachten Metall-Nanopartikel zu einer leitfähigen Struktur zu versintern.

Für die Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Kunststoff stehen bei MATERIALS zwei Technologien zur Verfügung: Bei der „Fused Filament Fabrication“ wird das Objekt Schicht für Schicht aus schmelzbaren Kunststoff, welcher über eine Düse aufgetragen wird, gefertigt. Als Alternative zu dieser Technologie bietet MATERIALS  einen auf Tintenstrahldruck basierten 3D-Drucker (Stratasys Objet Pro) , mit dem für komplexe Strukturen (zum Beispiel bewegliche Elemente) Baumaterial und Stützmaterial (das anschließend wieder entfernt wird) in dünnen Schichten aufgetragen und anschließend mittels UV-Licht vernetzt wird.

3D Drucker bei MATERIALS
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