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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.
Digitales Drucken

Digitaldruck bietet viele Vorteile, beispielsweise neue Gestaltungsmöglichkeiten, die Systemkosten, Größe oder Gewicht reduzieren helfen.  Neue Funktionen für (flexible und formbare) 2D / 3D-Oberflächen können monolithisch in Komponenten oder Produkte integriert werden. Der Druck erfolgt berührungslos und eignet sich sehr gut für Rapid Prototyping oder die Produktion von kleinen Stückzahlen ohne Investition in produktabhängige Werkzeuge.

Tinten -entwicklung

Wir arbeiten an Funktionalitäten wie

  • Leitfähigkeit (selbstreduzierende Metall-Tinten, ionische Tinten, dehnbare Tinten),
  • Isolation (Dielektrikum),
  • Sensorik (pH, Gas, Feuchtigkeit, Abstand, Druckunterschied),
  • Klebstoffe, 
  • biologische,
  • magnetische,
  • fluoreszierende Merkmale.
Wir bieten

Unseren Kunden bieten wir:

  • Proof of Concepts
  • Prototyping und Demonstratorentwicklung,
  • Upscaling der Produktion
  • Sourcing von Material- und Gerätelieferanten sowie Lohnfertigern und
  • den Transfer von Fertigungsprozessen.
  • Die Produktion kleiner Serien bieten wir als Dienstleistung an.
  • Gemeinsam mit Industriepartnern forschen wir in national oder international geförderten Projekten.
Druck -technologien

Bei JOANNEUM RESEARCH verfügen wir über eine Reihe von Drucktechnologien: 

  • Tintenstrahldruck,
  • Aerosoljet Druck,
  • Siebdruck,
  • Microarray-Spotting
  • Elektrostatischer Druck sowie
  • Magnetventildruck.
Substrate

Wir bedrucken verschiedene Substrate

  • Polymere,
  • Glas,
  • Keramik,
  • FR4,
  • Metalle,
  • Silizium Wafer,
  • 3D-gedruckte Oberflächen oder
  • andere kundenspezifische Materialien.

Diese Substrate erfordern häufig verschiedene Oberflächenvorbehandlungen, wie zum Beispiel 

  • Beschichtungen,
  • Corona,
  • Plasma,
  • UV oder
  • Nano-Imprint-Lithographie.

Um die erforderliche Funktionalität herzustellen, ist eine Nachbearbeitung der gedruckten Muster in Form von thermischer Aushärtung, Laserhärtung oder UV-Aushärtung erforderlich.

Anwendungen

Anwendungen und Anwendungsfälle: 

  • packaging and assembly
    • high density interconnects, flexible Schaltkreise, direct die attach, eingebettete passive Bauteile, Ersatz von wire bonds
  • Elektronische Bauteile
    • Widerstände, Kondensatoren, Induktoren, Mikroantennen (RFID), Mikrobatterien
  • Elektronische Geräte
    • 3D MID, intelligente 3D-Strukturen, Bildschirme
  • Energie
    • Brennstoffzellen, Solarzellen
  • Sensoren
    • Feuchtigkeit, Touch, Gedruckte Schaltungen, elektronische Standardkomponenten, 3D-gedruckte Abdeckung
  • Wearables
    • Intelligente Textilien
  • Sicherheitsfunktionen
    • Fluoreszenzfarbstoff, hochaufgelöste Muster
Tinten- strahldruck

Druck von leitfähigen Strukturen

Gedruckter Touch-Sensor auf flexibler Folie

Tintenstrahldrucker bei MATERIALS

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. 

Aerosoljet- druck

Aerosoljetdruck bei MATERIALS

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.

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

Laborgerät Flexodruck

Farbauftragswalze

Flexogedrucktes Kupfer auf flexibler Folie

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.

Elektro -statischer Druck

Der elektrostatische Druck stellt eine neuartige Drucktechnologie dar, mit der funktionale Tinten in einem Viskositätsbereich und einem Tropfenvolumen aufgebracht werden können, die derzeit nicht für klassische Piezo-basierte Tintenstrahltechnologien verfügbar sind. Der elektrostatische Druck ist noch in der Entwicklung.

 

Microarray-Spotting

Ein Microarray-Spotter ist eine automatisierte Anlage mit mehreren Piezo-Dispensing-Kapillaren (PDCs), um extrem kleine Volumina (d.h. von Pikoliter bis Mikroliter) von unterschiedlichen Lösungen zu verarbeiten. Mit einer solchen Technologie können Oligonukleotide, Proteine, Nanopartikel und fluoreszierende Farbstoffe auf einer Vielzahl von Oberflächen (z. B. Glas, Silizium, Siliziumdioxid, Gold, Hydrogel und Polymere) angebunden werden. Dies ermöglicht eine einfache, kostengünstige Produktion mit hohem Durchsatz und eignet sich besonders zur Herstellung von Biochips für diagnostische Anwendungen.

 

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

Bei MATERIALS designte und 3D-gedruckte Prototypen

 

 

Für die Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Metall stehen die Technologien Generatives Laserauftragsschweißen (Laser Metal Deposition, LMD) und Laserstrahlschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) zu Verfügung.

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