Der IDTechEx-Bericht „3D-Elektronik/Additive Elektronik 2024–2034: Technologien, Akteure und Märkte“ analysiert jeden dieser Ansätze im Detail.
Der Bericht wägt die Vor- und Nachteile jedes Ansatzes ab und zeigt anhand zahlreicher Fallstudien, wie unterschiedliche Fertigungstechniken und Materialien den Anforderungen der Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Automobil, Konsumgüter, Verpackung integrierter Schaltungen und Medizintechnik gerecht werden.
Anwendung von Elektronik auf 3D-Oberflächen:
Die etablierteste Methode zur Integration elektrischer Funktionen in die Oberfläche von 3D-Objekten ist die Laser-Direktstrukturierung (LDS). LDS erlebte vor etwa zehn Jahren ein enormes Wachstum und wird jährlich zur Herstellung von Hunderten Millionen Bauteilen eingesetzt, darunter Antennen und einfache leitfähige Verbindungen auf der Oberfläche von 3D-Spritzgussteilen aus Kunststoff. Trotz der hohen Mustererzeugungsgeschwindigkeit und der weiten Verbreitung weist LDS jedoch einige Schwächen auf, die alternative Ansätze zur Oberflächenmetallisierung ermöglichen. Beispielsweise wird das Ventilstrahldruckverfahren, auch Dispensing genannt, bereits für einen kleinen Teil der Antennen verwendet. Diese Technik ermöglicht die schnelle Abscheidung einer Vielzahl von Materialien.
Aerosol-Jetting und laserinduzierter Vorwärtstransfer (LIFT) sind weitere digitale Beschichtungstechnologien, die im Bericht behandelt werden. Diese Technologien ermöglichen eine höhere Auflösung bzw. eine schnellere Beschichtung einer breiten Palette von Materialien. Zu den weiteren aufkommenden Techniken zählen ultrapräzise Dosierung, elektrohydrodynamisches Drucken, Pulsdruck, Tampondruck und Sprühmetallisierung. Im Markt für teiladditive Elektronik wird ein stetiges Wachstum erwartet, insbesondere in den Bereichen Telekommunikation und Mikroelektronik.
In-Mold-Elektronik
(IME), bei der elektronische Bauteile vor dem Thermoformen zu einem 3D-Bauteil gedruckt oder montiert werden, erleichtert den Übergang zu einer stärkeren elektronischen Integration, insbesondere wenn kapazitive Berührungssensoren und Beleuchtung benötigt werden. IME bietet gegenüber herkömmlichen mechanischen Schaltern mehrere Vorteile, wie z. B. eine Gewichts- und Materialreduzierung von bis zu 70 % und eine deutlich einfachere Montage.
Das IME-Herstellungsverfahren kann als Weiterentwicklung des etablierten In-Mold-Decoration-Verfahrens (IMD) betrachtet werden. Dadurch lässt sich ein Großteil des bestehenden Prozesswissens und der vorhandenen Anlagen wiederverwenden. IME unterscheidet sich von IMD durch den anfänglichen Siebdruck leitfähiger, thermoformbarer Tinten, gefolgt vom Aufbringen elektrisch leitfähiger Klebstoffe und der Montage von SMDs (Oberflächenmontagebauteile, heute hauptsächlich LEDs). Durch das Drucken dielektrischer Tinten zur Realisierung von Übergängen können auch komplexere Mehrlagenschaltungen hergestellt werden.
Trotz ihrer vorteilhaften Eigenschaften ist die kommerzielle Nutzung integrierter SMD-Bauteile in der In-Mold-Elektronik (IME) bisher recht begrenzt. Diese vergleichsweise langsame Einführung, insbesondere im Kernmarkt für Fahrzeuginnenausstattungen, ist sowohl auf die Schwierigkeiten bei der Erfüllung der Automobilqualifikationsanforderungen als auch auf die Vielzahl weniger anspruchsvoller Alternativen, wie beispielsweise das Aufbringen funktionaler Folien auf tiefgezogene Teile, zurückzuführen. Neben einer breiteren Akzeptanz der Technologie erfordert die Einführung von IME klare Designregeln, Materialien, die etablierten Standards entsprechen, und vor allem die Entwicklung von Werkzeugen für die Elektronikentwicklung. IDTechEx prognostiziert, dass das größte Wachstum im Bereich der 3D-Elektronik in der In-Mold-Elektronik (IME) stattfinden wird, sobald diese die Validierungsphase abgeschlossen hat.
Vollständig gedruckte 3D-Elektronik:
Der wohl innovativste Ansatz in der additiven Elektronik ist die vollständig gedruckte 3D-Elektronik, bei der dielektrische und leitfähige Materialien nacheinander aufgetragen werden. In Kombination mit platzierten SMD-Bauteilen entsteht so eine Schaltung, die potenziell eine komplexe Mehrschichtstruktur aufweist und in ein 3D-gedrucktes Kunststoffobjekt eingebettet ist. Der Hauptvorteil besteht darin, dass jedes Objekt und jede eingebettete Schaltung mit einem individuellen Design gefertigt werden kann, ohne dass jedes Mal Masken und Formen erstellt werden müssen.
Vollständig 3D-gedruckte Elektronik eignet sich daher hervorragend für Anwendungen, die die kurzfristige Fertigung einer breiten Palette von Komponenten erfordern. Die Technologie birgt auch Potenzial für Anwendungen, bei denen individuelle Formgebung und sogar Funktionalität wichtig sind. Die Möglichkeit, mit 3D-gedruckter Elektronik verschiedene Komponenten mit denselben Anlagen herzustellen, sowie die damit verbundene Entkopplung von Stückkosten und Produktionsvolumen könnten zudem den Übergang zur bedarfsgerechten Fertigung ermöglichen.
Die Herausforderung bei vollständig 3D-gedruckter Elektronik besteht darin, dass die Fertigung grundsätzlich deutlich langsamer ist als beim Spritzgießen, da jede Schicht nacheinander aufgetragen werden muss. Zwar lässt sich der Druckprozess durch den Einsatz mehrerer Düsen beschleunigen, er eignet sich jedoch am besten für Anwendungen, bei denen die Individualisierung einen spürbaren Vorteil bietet. Auch die Gewährleistung der Zuverlässigkeit stellt aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften eine Herausforderung dar; zudem sind nachträgliche Reparaturen bei eingebetteter Elektronik nicht möglich. Eine Strategie besteht darin, jede Schicht mittels Bildanalyse zu überprüfen und gegebenenfalls notwendige Reparaturen vor dem Auftragen der nächsten Schicht durchzuführen.
