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Im Rampenlicht: 5 elektronische Komponenten, die vom 3D-Druck profitieren können 

3D-Druck in der Elektronik wird schnell zu einer der Schlüsseltechnologien für die elektronische Fertigung. Derzeit wird es hauptsächlich zur Beschleunigung der Produktentwicklung durch Rapid Prototyping eingesetzt. Zunehmend stellen wir jedoch fest, dass sich die Technologie auf die Herstellung funktionaler elektronischer Komponenten verlagert.
 
Bis 2029 wird ein Gesamtmarkt für 3D-gedruckte Elektronik von über 2 Milliarden US-Dollar erwartet. In dem heutigen Artikel untersuchen wir die Trends und einige der Anwendungen, die dieses Wachstum vorantreiben. 
 
Werfen Sie auch  einen Blick auf die anderen in dieser Serie behandelten Anwendungen: 
 
3D Druck für Wärmeaustauscher 
 
3D Druck für Kugellager  
 
3D Druck in der Fahrradherstellung 
 
3D Druck für digitale Zahnmedizin & die Herstellung von klaren Zahnspangen
 
3D Printing für medizinische Implantate 
 
3D gedruckte Raketen und die Zukunft der Raumfahrtindustrie  
 
3D Druck in der Schuhindustrie 
 

Was treibt die Einführung des 3D-Drucks in der Elektronik Industrie an? 

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Ein 3D-gedruckter Prototyp einer Leiterplatte [Bildnachweis: Nano Dimension]

Der Lebenszyklus elektronischer Produkte verkürzt sich und fordert die Elektronikhersteller auf, Wege zu finden, um die Produktentwicklung und Herstellung zu beschleunigen. 
 
Derzeit wird der größte Teil der Produktion von Prototypen und Bauteilen nach Ostasien ausgelagert. Dies bedeutet, dass die Hersteller, die Produkte in Europa und Nordamerika entwickeln, Elektronikdesigns nach China schicken müssen und oft wochenlang warten müssen, bis die Prototypen zurück sind. 
 
Darüber hinaus ist die Mindestbestellmenge oftmals größer als ein Hersteller benötigen würde, sodass er mehr Prototypen kaufen muss, als für Tests und Validierungen erforderlich sind. 
 
Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Verwendung örtlicher Vertragshersteller. Dies wirft jedoch ein weiteres Problem hinsichtlich einer möglichen Verletzung des geistigen Eigentums auf. Idealerweise benötigen Hersteller eine Lösung für das interne Prototyping, und hier kommt der elektronische 3D-Druck ins Spiel. 
 
3D-Drucker, die speziell für elektronische Anwendungen entwickelt wurden, gewinnen zunehmend an Bedeutung, da sie es Elektronikunternehmen ermöglichen, Prototypen im eigenen Haus zu produzieren. Solche Systeme werden häufig in einem kompakten Desktop-Format geliefert, wodurch sie einfach direkt in der Entwicklungsabteilung platziert werden können. 
 
Wichtig ist, dass 3D-Drucker in nur wenigen Stunden Prototypen elektronischer Komponenten wie Leiterplatten, Antennen, Kondensatoren und Sensoren erstellen können. Infolgedessen wird die Designvalidierung schneller und ermöglicht so häufigere Re-Designs. Durch die interne Installation eines 3D-Drucksystems für Elektronik wird das Risiko von IP-Diebstahl verringert 
 
Ein weiterer Faktor, der den 3D-Druck in der Elektronik vorantreibt, ist die ständige Weiterentwicklung und Miniaturisierung von Elektronikkomponenten mit einem erhöhten Bedarf an fortschrittlichen Funktionen. Die Nachfrage nach nicht standardmäßiger, flexibler Elektronik wächst exponentiell, aber da es schwierig sein kann, solche Komponenten mit herkömmlichen Techniken herzustellen, bieten 3D-Drucktechnologien allmählich die Mittel, um diese Nachfrage zu befriedigen. 
 
Gedruckte Elektronik ist kein neues Konzept. 2D-Drucktechnologien wie Inkjet- und Siebdruck werden seit einigen Jahren zur Herstellung elektronischer Bauteile eingesetzt. Alle diese Prozesse sind noch gut und am Leben, haben aber Grenzen. Die meisten 2D-Prozesse wurden für den zweidimensionalen Druck entwickelt, sodass nur elektronische Bauteile auf einer ebenen Fläche hergestellt werden können. 
 
Beispielsweise konstruieren die Ingenieure bei der traditionellen Leiterplattenherstellung nicht nur in 2D, sie fertigen die verschiedenen Leiterplattenschichten ebenfalls in 2D. Anschließend müssen sie alle möglichen zusätzlichen Prozessschritte wie Bohren, Pressen und Plattieren ausführen, um mehrere separate Schichten zu einer mehrschichtigen, dreidimensionalen Leiterplatte zu verbinden.
 
Der 3D-Druck erweitert die Gestaltungsmöglichkeiten, da Ingenieure ganze Schaltkreise auf nicht ebenen Oberflächen drucken können. 
 
Allerdings wird diese Technologie derzeit hauptsächlich für das Prototyping eingesetzt. Es kommen jedoch immer neue und verbesserte Systeme auf den Markt, was darauf hindeutet, dass bald 3D-gedruckte elektronische Komponenten als voll funktionsfähige Massenprodukte zum Einsatz kommen.  
 

Hauptanwendungen der 3D-gedruckten Elektronik 

 

3D gedruckte Antenne 

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Eine 3D-gedruckte Antenne [Bildnachweis: Optisys]

Antennen sind eine allgegenwärtige Komponente in allen kommerziellen und militärischen Flugzeugen sowie in Satelliten, UAVs und Bodenterminals. 
 
Das Aufkommen des 3D-Drucks hat zur Entwicklung neuartiger Antennendesigns geführt, die mit herkömmlichen Herstellungstechniken nicht erreicht werden konnten. Dank des 3D-Drucks konnten Hersteller auch herkömmliche Antennenformen mit geringerem Gewicht und zu geringeren Kosten herstellen.
 
Optisys ist ein Unternehmen, das sich auf die Entwicklung, Herstellung und Prüfung von Leichtbauantennen im Metall-3D-Druck konzentriert. Zur Herstellung von Antennen verwendet Optisys ein Pulverschmelzverfahren, bei dem dünne Pulverschichten mit einem Hochleistungslaser zu Vollmetall verschweißt werden 
 
Durch diesen Schweißprozess wird ein Teil jeweils in einer kleinen Schicht aufgebaut. Bei diesem Herstellungsverfahren kann bei Bedarf Material hinzugefügt werden, um eine bestimmte mechanische oder Hochfrequenzfunktion (RF) zu erzielen. or Radio Frequency (RF) function.
 
In einem Beispiel produzierte Optisys einen Demonstrationsteil – eine X-Band SATCOM Integrated Tracking Array (XSITA) Antenne. Durch 3D-Druck in Kombination mit Simulationssoftware konnte Optisys die Anzahl der Teile in der Baugruppe von über 100 auf nur ein einziges Stück reduzieren. Optisys berichtete auch, dass die Vorlaufzeiten von 11 auf 2 Monate, also um 9 Monate verkürzt und die Produktionskosten um mindestens 20% gesenkt wurden.
 

Verbindungen 

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Eine elektronische Struktur, die mit der Aerosol Jet-Technologie von Optomec in 3D gedruckt wurde [Bildnachweis: Northrop Grumman]

Zwischenverbindungen sind ein wesentlicher Bestandteil jedes elektronischen Systems und Strukturen, die zwei oder mehr Schaltungselemente (wie z. B. Transistoren) elektrisch miteinander verbinden. 
 
Gegenwärtige Verfahren zur Herstellung von Verbindungen, wie Drahtverbindungen, weisen einige Einschränkungen auf, einschließlich langer Leiterwege und hoher mechanischer Beanspruchung an zerbrechlichen Bauteilen. Das Drucken der Verbindungen direkt auf die Leiterplatten- und HF-Komponenten-Pads kann diese Probleme möglicherweise lösen. 
 
Die von Optomec entwickelte Aerosol Jet-Technologie ist eine der Technologien, mit der konforme Verbindungen auf 3D-Oberflächen gedruckt werden können, ohne dass eine Drahtverbindung erforderlich ist.
 
Der Aerosolstrahldruck beginnt mit der Zerstäubung von Tinte, wobei Tröpfchen mit einem Durchmesser von ein bis zwei Mikrometern erzeugt werden. Die zerstäubten Tröpfchen werden in einem Gasstrom mitgerissen und dem Druckkopf zugeführt. Der Drucker stößt dann die Material Tröpfchen mit hoher Geschwindigkeit aus und lässt sie auf dem Substrat haften. Der Prozess findet bei Raumtemperatur ohne Verwendung von Vakuum- oder Druckkammern statt.
 
Ein Team des Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungstechnologieunternehmens Northrop Grumman hat mit dieser Methode Galliumarsenid (GaAs) -Halbleiter hergestellt. In der Studie stellten die Forscher 3D-gedruckte dielektrische Schichten und Goldverbindungen vom Brückentyp auf GaAs-basierten monolithischen integrierten Mikrowellenschaltungen (MMICs) her. 
 
Nach dem Drucken wurden die MMIC-Geräte HF-Tests und Zuverlässigkeitstests unterzogen, einschließlich Thermoschock-, Thermozyklus- und Strombelastungstests. Nachdem die MMICs solch harte Bedingungen überstanden hatten, zeigten sie keine Anzeichen von Leistungseinbußen und zeigten, dass die 3D-gedruckten Verbindungen in realen Szenarien funktionieren können. 
 

Kondensatoren

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[Bildnachweis: Nano Dimension}

Ein Kondensator ist ein Gerät, das in elektronischen Schaltkreisen zum Speichern von Energie und elektrischer Ladung verwendet wird, und eine weitere Komponente, die 3D-gedruckt werden kann. 
 
Heutzutage erfordern die traditionellen PCB-Herstellungstechnologien, dass Kondensatoren auf einer PCB montiert werden. Dies führt jedoch zu einer nicht sehr effizienten Nutzung der PCB-Oberfläche. 
 
Der 3D-Druck hingegen ermöglicht das Drucken von Kondensatoren direkt auf die Leiterplatte, wodurch Elektronikingenieure einen potenziell zeitaufwendigen und komplexen Montageprozess vermeiden und gleichzeitig kleinere Leiterplattenabdrücke erzeugen können.
 
Andere Vorteile können kürzere Schaltungswege, erweiterte Bandbreiten, höhere Signalgeschwindigkeit und Rauschminimalisierung sein. 
 
Nano Dimension, ein Entwickler von elektronischen 3D-Druckern, hat kürzlich die erfolgreiche Entwicklung eines eingebetteten 3D-gedruckten Kondensators bekannt gegeben. Ihre Technologie, die eine DragonFly-Reihe von 3D-Druckern antreibt, besteht darin, zwei Materialien (eines leitend und eines dielektrisch) in Schichten vom Substrat nach oben abzuscheiden, wobei die in der Konstruktionsdatei angegebenen Positionen eingehalten werden. 
 
Nach über 260 Tests mit 30 verschiedenen 3D-gedruckten Kondensatorabmessungen hat das Unternehmen, Berichten zufolge, konsistente Ergebnisse nachgewiesen, die eine Varianz zwischen den Komponenten von weniger als 1% anzeigten. 
 
Laut Nano Dimension können die Kondensatoren in Hochfrequenz-Übertragungsleitungen, bei der Audioverarbeitung, beim Radioempfang und bei der Konditionierung von Stromkreisen eingesetzt werden. 
 
Dieser Meilenstein entspricht dem Trend der Elektronikindustrie zur Miniaturisierung und Flachheit elektronischer Geräte. Die Möglichkeiten des 3D-Drucks zur Herstellung kleinerer Kondensatoren werden deutlich erweitert und bieten Elektronikingenieuren neue Möglichkeiten zur Optimierung ihrer Leiterplattendesigns.
 

Hochfrequenzkomponenten 

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Harris Corp. und Nano Dimension arbeiten erfolgreich bei der Herstellung einer 3D-gedruckten HF-Schaltung zusammen [Bildnachweis: Harris Corp.]

Neben Kondensatoren werden die 3D-Drucker von Nano Dimension zum Entwerfen von HF-Komponenten verwendet. Dies sind entscheidende Elemente jedes elektronischen Systems, mit dem Daten, Video, Sprache und andere Informationen über große Entfernungen übertragen werden. 
 
Die Harris Corporation, ein Unternehmen, das auf taktische Kommunikation, geografische Systeme und Dienste sowie Avionik und elektronische Kriegsführung spezialisiert ist, hat einen DragonFly Pro 2020 3D-Drucker zur Entwicklung eines 3D-gedruckten HF-Verstärkers verwendet
 
Im 3D-Druck fertigte Harris in 10 Stunden einen 101 x 38 mm großen Schaltkreis an. Die leitfähigen und dielektrischen Silber-Nanopartikel-Tinten von Nano Dimensions wurden verwendet, um die funktionalen elektrischen Teile in einem einzigen Druck zu erzeugen. Anschließend wurden die Komponenten manuell auf die Leiterplatte gelötet.
 
Im Vergleich zu dem traditionell hergestellten Verstärker zeigte das 3D-gedruckte Gegenstück eine ähnliche HF-Leistung, was die Realisierbarkeit von 3D-gedruckter Elektronik für HF-Schaltungen deutlich zeigt 
 

Sensoren

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3D gedruckte Sensoren auf einer Turbinenschaufel [Bildnachweis: Optomec]

 3D-gedruckte Sensoren sind eine der aufregendsten Anwendungen der 3D-gedruckten Elektronik. Diese Geräte, die Eingaben aus der physischen Umgebung erkennen und auf diese reagieren können, werden von Kfz-Emissionskontrollsystemen bis hin zu automatischen Türen und Mobiltelefonen eingesetzt 
 
Biomedizinische Sensoren ist eine Anwendung, die vom 3D-Druck profitieren kann. Beispielsweise entwickeln Forscher der Georgia Tech und der Emory University einen 3D-gedruckten Sensor, mit dessen Hilfe Kliniker möglicherweise die Heilung von Aneurysmen drahtlos überwachen und bewerten können. 
 
Der Sensor wurde mit Hilfe des Aerosol-Jet-3D-Drucks erstellt. Es besteht aus sechs Schichten, die aus biokompatiblem Polyamid hergestellt sind. Zwei getrennten Schichten, eines aus Silbernanopartikeln hergestellten Maschenmusters, einer dielektrischen und einer aus einkapselnden weichen Polymer Material.
 
Laut dem Forschungsteam können mit dem 3D-Druck sehr kleine elektronische Merkmale in einem einzigen Schritt hergestellt werden. Dies beseitigt die Notwendigkeit für das traditionelle mehrstufige Lithographie Verfahren. Dies bedeutet auch, dass der Sensor mit einem höheren Volumen und geringen Kosten hergestellt werden kann.
 
Diese Technologie bietet einen Einblick, wie die Kombination von intelligenten Geräten und elektronischem 3D-Druck das Gesundheitswesen voranbringen kann. 
 
Zusätzlich zu medizinischen Anwendungen können 3D-gedruckte Sensoren verwendet werden, um die Leistung von Turbinenschaufeln zu überwachen. Zum Beispiel verwendet General Electric die Aerosol Jet-Technologie von Optomec, um keramische Dehnungssensoren direkt auf die Turbinenschaufeln zu drucken. Diese Sensoren erkennen Ermüdung und Kriechen im Metall, um kostspielige und gefährliche Ausfälle zu vermeiden. 
 
Durch den Einsatz von 3D-gedruckten Sensoren wurden Berichten zufolge 1 Milliarde US-Dollar eingespart. 
 
Die Wartung der Turbinenschaufeln ist kostspielig und zeitaufwendig. 3D-Drucksensoren auf Gasturbinenkomponenten können jedoch zur Optimierung dieses Prozesses beitragen. 
 
Die Kombination aus 3D-Druck und Sensortechnologie öffnet die Tür für vielfältige Anwendungen in der Medizin-, Energie- und Luftfahrtindustrie. Im Laufe der Forschung in diesem Bereich wird der Einsatz von 3D-gedruckten Sensoren zunehmen, da kleinere, aber leistungsstärkere Überwachungslösungen erforderlich sind. 
 

Ein Blick in die Zukunft 

3D-gedruckte Elektronik ist eine junge, aber schnell wachsende Branche für den 3D-Druck. Sie wächst, um den wandelnden Anforderungen der Elektronikindustrie gerecht zu werden. 
 
Derzeit bietet der elektronische 3D-Druck Lösungen für Rapid-Prototyping an. Es kann jedoch nur noch ein paar Jahre dauern, bis die additive Fertigung von elektronischen Komponenten in größerem Umfang stattfindet. Unternehmen setzen diese Vision in die Realität um, indem sie verbesserte, produktionsfähige Systeme einführen und leistungsfähigere leitfähige und dielektrische Materialien entwickeln. 
 
So hat Nano Dimension kürzlich sein neues digitales Fertigungssystem DragonFly Lights-Out (LDM) vorgestellt. Das Unternehmen gibt an, dass mit dem System funktionale 3D-gedruckte Multilayer-Leiterplatten, Kondensatoren, Spulen, Sensoren und Antennen in kleinen Stückzahlen hergestellt werden können. 
 
Die Fortschritte auf der Hardwareseite sind einer der Schlüssel, um den elektronischen 3D-Druck über das Prototyping hinaus freizuschalten. 
 
Ebenso spannend ist die Menge an Forschung, die durchgeführt wird, um Anwendungen für 3D-gedruckte Elektronik zu entwickeln. Forscher und Unternehmen setzen neue Maßstäbe in der Elektronikfertigung, indem sie die neuen Funktionen und das neue Design des 3D-Drucks erforschen. 
 
Dem traditionellen mechanischen 3D-Druck folgend wird der 3D-Druckbereich der Elektronik in den kommenden Jahren voraussichtlich ein enormes Wachstum verzeichnen