Entwicklungen im Digital Manufacturing

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1 Entwicklungen im Digital Manufacturing digi-trends Stefan Güttler, Hochschule der Medien Hochschule der Medien Stuttgart Digital Manufacturing Einsatz von Druckverfahren (nicht nur Digitaldruck) zum Erzeugen hoch aufgelöster Funktionsoberflächen oder 3D-Strukturen, nicht zum Auftrag von Farbe Druckverfahren bieten hohe Auflösung bei hoher Fertigungsgeschwindigkeit und niedrigen Kosten pro bedruckter Fläche Auflösung bezieht sich auf die Größe von Strukturen, die reproduzierbar (stabil) gedruckt werden können. Größenordnung hierfür ist nicht die Druckauflösung (dpi), eher die Rasterweite (lpi) im Farbdruck Auflösung liegt weit unterhalb fotolithographischer Verfahren (Bsp. Halbleiterfertigung), ist aber Größenordnungen billiger Druckverfahren im Digital Manufacturing Siebdruck Tiefdruck Flexodruck Drop-on-Demand Inkjet (Piezodruck) Auch Elektrofotografie Prof. Stefan Güttler 2 1

2 Drop-on-Demand Inkjet Piezo Für die meisten Anwendungen im DM ist nur die Piezodruck-Technik geeignet Verdruckbar sind (im Prinzip) alle Substanzen mit geeigneten rheologischen Eigenschaften: (Scherabhängige) Viskosität: ca. 4 50mPas bei Verarbeitungstemperatur (abhängig vom Druckkopftyp), optimal: ca. 8 14mPas (Vergleich Wasser, Ethanol: 1mPas) Maximale Temperatur Druckkopf: bauartabhängig zwischen 60 C und 130 C (Dynamische) Oberflächenspannung: ca mNm Niedriger Dampfdruck: Verdunstung von Lösemittel führt zu Viskositätszunahme Eintrocknen von Düsen Bildung einer Dampfblase während der negativen Druckwelle Anhaltspunkt für max. Dampfdruck ist Dampfdruck von H 2 O: ~ 42mbar bei 30 C Quelle: Vortrag R. Allen, HP Prof. Stefan Güttler 3 Drop-on-Demand Inkjet Piezodruck 3 Dichte von DM-Substanzen: Meist 1 1,3g cm Enthaltener Feststoff: Suspensionen müssen chemisch stabil (sedimentationsfrei) sein max. Teilchengröße <1-2 m (abhängig vom Druckkopftyp) Feststoffanteil <3-15Vol%, abhängig von Teilchengröße und dichte. Chemische Resistenz: Druckköpfe für Digital Manufacturing Anwendungen sind inert gegen eine Vielzahl chemischer Substanzen. Verwendete Materialien: Silizium, Edelstahl, Polyimid (Kapton), poly-flourierter Kautschuk Einfluss der rheologischen Parameter auf die Tropfenablösung Quelle: Vortrag Hue Le, Picojet, NIP 2010 Prof. Stefan Güttler 4 2

3 Drop-on-demand Inkjet Piezo Polymere und Suspensionen im DM haben eine nicht-newtonsche (d.h. scherabhängige) Viskosität. In Piezodruckköpfen entstehen hohe Scherraten: /s Auch scherverdünnende Substanzen, die bei niedrigen Scherraten zu hochviskos sind, können verdruckbar sein. Scherabhängige Viskosität einer keramischen Tinte Prof. Stefan Güttler 5 DoD-Thermaldruck und Continuous-Jet Eigenschaften Thermaldruck-Tinten: Nur wasserbasierte Tinten (oder Tinten mit Dampfblasenbildung wie Wasser) Niedrige Viskosität: 2-4mPas Erhitzung der Tinte auf C an Grenzfläche zum Heizelement Feststoffe <0,2 m Quelle: Vortrag R. Allen, HP Eigenschaften Continuous-Jet Tinten Niedrige Viskosität: 3-6mPas Nur elektrisch leitfähige Tinten (bei elektrostatischer Ablenkung) Großes Füllvolumen durch Tintenkreislauf, Tinte kommt in Kontakt mit vielen Komponenten/ Materialien Continuous-Jet ist teuerste Inkjet Technologie Prof. Stefan Güttler 6 3

4 Digital Manufacturing Zuverlässigkeit Zuverlässigkeit ist großes Thema, Anforderungen sind höher als im Graphikdruck (1 Fehler pro 100Mio Tropfen?) Zuverlässigkeit geht mit höherer Auflösung (kleineren Tropfen- und Düsengrößen) zurück Versagen von Düsen: Lufteinschlüsse, z.b. Ansaugen von Luft während negativer Druckwelle Staubige Umgebung führt zur Anlagerung von Staub auf der Düsenplatte Veränderliche Tropfengröße und -geschwindigkeit Zunahme Viskosität durch Verdunsten von Lösungsmittel Crosstalk (Tropfengröße und geschwindigkeit variiert mit der Anzahl der gleichzeitig feuernden Düsen Fehlerhafte Platzierung von Tropfen durch Winkelfehler der Düsen Auffangstrategien sind ein großes Thema, z.b. Redundanz der Düsen, Reinigungszyklen Prof. Stefan Güttler 7 Erhöhung der Zuverlässigkeit durch Umwälzkreislauf Erhöhung der Zuverlässigkeit durch Umwälzen der Tinte entlang der Düsenplatte (erstmals Xaar) Entfernen von Luftblasen, Staub Redispergierung von Suspensionen unterstützen Eintrocknen der Düsen reduzieren Nachteile: großes Füllvolumen, Regelung des Miniskusvakuums schwierig Düse Dimatix Starfire Xaar 1001 Düse EP A1 Agfa Prof. Stefan Güttler 8 4

5 Inkjet Druck von Leiterbahnen Silbertinten: Suspension mit Nanosilberpartikel (<100nm) Viel Pionierarbeit, aber Nischenanwendung, da zu teuer Z.B. Cabot Conductive Ink CCI-300 Sintertemperatur ~ C, bis ~100 C möglich Spezifischer Widerstand: Nano ~ 3x Metall, hängt stark von Sintertemperatur und dauer ab. Gedruckte Leiterbahnen aus Silber auf einer Solarzelle (links) und RFID- Prototyp (rechts) Quellen: Dimatix, Xennia Dimatix DMP-3000 mit Druckkopf D-128, Quelle: Dimatix Silberpartikel vor (oben) und nach dem Sinterprozess (180 C, 10min), Quelle: Cabot Prof. Stefan Güttler 9 Ink-jet Druck von Nano-Kupfertinte Kommerziell interessanter sind gedruckte Leiterbahnen aus Kupfer, aber: Kupfer-Nanopartikel oxidieren spätestens beim Sintern Durchbruch durch neues Sinterverfahren: Tinte enthält kein metallisches Kupfer, sondern Kupferoxid (CuO) + Reduktionsmittel: CuO-Nanopartikel sind wesentlich billiger als Cu-Nanopartikel CuO-Nanopartikel sind einfacher chemisch zu stabilisieren als Cu-Nanopartikel Verdrucken der Kupferoxid-Tinte bei 40 C Sintern erfolgt inline nach dem Drucken: Infrarot-Trocknung des Films, durch Erwärmung erfolgt Reduktion von CuO zu Cu Anschließend Sintern durch Puls mit starker Gasentladungslampe (~1J/cm 2 ) Sinterprozess dauert ~1ms, metallisches Kupfer kann nicht oxidieren Chemische Stabilisierung von Nanopartikeln, Quelle: Vortrag Jones, IMI 2007 Prof. Stefan Güttler 10 5

6 Ink-jet Druck von Nano-Kupfertinte Spezifischer Widerstand Kupferfilm: ( Nano ~ 3 x Metall ) Kupferfilme sind noch zu dünn für hinreichende Leitfähigkeit: Mehrfaches Überdrucken erforderlich Kupferoxidpartikel vor (oben) und Kupferfilm nach dem Sinterprozess Quelle: Novacentrix Sintern erfolgt durch hochenergetischen Puls einer Gasentladungslampe: Novacentrix PulseForge Quelle: Novacentrix Prof. Stefan Güttler 11 Inkjet Druck von Leiterbahnen aus Kupfer Gedruckte Leiterbahnen aus Kupferoxid (oben) und aus Kupfer nach dem Sinterprozess, insgesamt 3 Schichten. Vorgestellt auf Drupa. Quelle: NovaCentrix Rolle-zu-Rolle Drucker (Fa. 3D Micromac) mit DM-Druckköpfen QE-256/ QS-256 (Dimatix) und PulseForge (Novacentrix). Prototyp am IPM, TU Chemnitz. Vorgestellt auf Drupa. Quelle: Dimatix Prof. Stefan Güttler 12 6

7 Inkjet Druck von OLEDs Einzelne Fertigungsschritte bei der Herstellung von OLEDs: (Organic Light Emitting Diodes) erfolgen im Inkjet-Druck. Licht-emittierende Polymere werden auf TFT- (Thin Film Transistor) Schicht aufgedruckt. Herausforderungen: Rheologie (vor allem Viskosität) der Polymerlösungen Zuverlässigkeit (Tropfengröße, -position, Düsenausfälle) Registrierung: OLEDs haben mehrere Schichten, die präzise übereinander liegen müssen Licht-emittierende Polymere werden auf TFT-Schicht aufgedruckt (links). OLED- Schirm (rechts). Quelle: OLED-Display.net Prof. Stefan Güttler 13 Inkjet Druck weitere Anwendungen Bildschirme: Aufdrucken von Farbfiltern auf LCD- (Liquid Crystal Display) Bildschirme Biosensoren: Druck von biologisch funktionalisierten Nanopartikel auf Glas-/ oder Kunststoffträger zum Nachweis biochemischer Kopplungsreaktionen (z.b. Antikörper) Textilien (Grenze zum DM): Druck funktioneller Textilfarben (imprägnierend, antibakteriell, flammhemmend,...) Prognostiziertes Umsatzwachstum des OLED-Markts Quelle: OLED-Display.net Funktionalisierte SiO 2 - Nanopartikel werden im Inkjet-Druck aufgebracht. Quelle: Fraunhofer-IGB Prof. Stefan Güttler 14 7

8 Inkjet 3D-Druck Druck in Pulverbett Druck von Bindemittel (eingefärbter Klebstoff ) in ein schichtweise aufgerakeltes Pulverbett. Nicht neu, aber eine der wenigen Thermaldruck- Anwendungen im Digital- Manufacturing HP- Thermaldruckköpfe Objekte sind nur zum Anschauen, wenig maßhaltig Z-Corporation Spectrum Z 510, Quelle: Z-Corporation Prof. Stefan Güttler 15 Inkjet 3D-Druck Druck UV-Lacken Schichtweiser Druck von UV-härtender Tinte (Objet) Mindestens zwei UV-Tinten erforderlich: Bau- und Stützmaterial, Stützmaterial muss nach Bauende (mit Wasserstrahl) entfernt werden Bei feinen Strukturen ist das Entfernen des Stützmaterials u.u. problematisch 8 Toshiba-Druckköpfe (4 für Bau- und 4 für Stützmaterial), Druckauflösung: 600x600dpi, Schichtdicke: ~16 m, entspricht 1600dpi Auflösung in z-richtung Maßhaltigkeit: 0,1-0,3mm Objekte waren zunächst nur zum Anschauen, schlechte Materialeigenschaften Objet Alaris 30 Prof. Stefan Güttler 16 8

9 3D-Druck von UV-Lacken neue Entwicklungen UV-Tinten mit besseren Materialeigenschaften: Festigkeit, Bruchdehnungsgrenze Verschiedene Baumaterialien mit definierter Shore-A Härte, um technische Kunststoffe im Prototypenbau zu simulieren. Gleichzeitiger Druck von zwei Baumaterialien (2 Druckköpfe pro Baumaterial, 4 für Stützmaterial), Materialkartuschentausch möglich Objet Connex, Quelle Objet Prof. Stefan Güttler 17 Elektrofotografie eine Alternative zu Inkjet im Digital Manufacturing? Inkjet oder Elektrofotografie Vorteile hängen von Anwendung ab Inkjet- Druck (Piezo): Druck auf gekrümmte und strukturierte Oberflächen Keine Beschädigung der Oberfläche durch Kontakt Vielfalt an Tinten können verdruckt werden, aber kleiner Viskositätsbereich Hohe Druckauflösung möglich, aber Zuverlässigkeit geht mit abnehmender Tropfen- und Düsengröße zurück Elektrofotografie: Elektrofotografie ist stabiler, zuverlässiger Prozess einfache Wartung, kein Spülen, keine verstopfenden Düsen Hohe Druckauflösung (von Toner abhängig) Chemische und biochemische Reaktanten können im Tonerpulver gekapselt werden, dadurch Unterdrückung unkontrollierter chemischer Reaktionen Wesentlich größerer Feststoffanteil (>50Vol%) möglich als in einer verdruckbaren Suspension (z.b. keramische Pigmente) Prof. Stefan Güttler 18 9

10 Druck hochaufgelöster Biochips (Peptidarrys) Proteine (Eiweißmoleküle) bestehen aus langen Ketten von Aminosäuren. Durchschnittliches Protein: ~500 Aminosäuren Es gibt 20 verschiedene Aminosäuren (aber nur 4 Bausteine der DNA ) Peptide sind Proteinteilstücke: Aminosäuren lang Peptide sind wichtig in Biotechnologie und Medizin (für Diagnose und Therapie) Peptide sind chemisch synthetisierbar (Proteine nicht) Es gibt verschiedene Peptide der Länge 10 und der Länge 20 Effizientes Syntheseverfahren wird benötigt Proteine Peptide Proteine: ~500 Aminosäuren Proteinteilstücke (10-20 Aminosäuren) Prof. Stefan Güttler 19 Elektrofotografischer Druck hochaufgelöster Peptidarrays Aminosäuren werden in Toner verkapselt (statt Pigmente), insgesamt 20 Toner Aminosäuretoner werden auf beschichtete Glasscheibe gedruckt Anschmelzen der Toner: Aminosäuren koppeln an den Träger Tonermatrix (und CCAs) werden entfernt, die erste Schicht Aminosäuren befindet sich gebunden auf dem Träger Zweite Schicht Aminosäuretoner wird punktgenau auf die erste gedruckt. Anschmelzen: Übereinander gedruckte Aminosäuren koppeln aneinander Wiederholung des Synthesezyklus mal: Peptide wachsen entsprechend Prof. Stefan Güttler 20 10

11 Hochaufgelöster Peptidarrays - Drucktechnik 20 Druckwerke für nicht-magnetischen Ein-Komponenten Toner von Oki (C4) 1200dpi LED- Zeile (Oki) Single-pass Druck auf Glasscheiben (ohne Zwischenträger) Auf Glas gedruckter Aminosäuretoner An Glasscheibe gekoppelte Aminosäure (angefärbt) Prof. Stefan Güttler 21 Hochaufgelöster Peptidarrays - Drucktechnik Elektrofotografischer Drucker mit 24 Druckwerken für den Druck von Aminosäuretoner auf Glasprobenträger, entwickelt von Fraunhofer-IPA und Fa. KMS, in Betrieb bei Fa. PepperPrint Probenträger (links), Kalibrierung und Registrierung (mitte), Druckwerk (rechts) Prof. Stefan Güttler Glasprobenträger 22 11

12 Fazit Digital Manufacturing ist ein vielseitiges und interessantes Gebiet, in dem die spezifischen Eigenschaften verschiedener Druckverfahren neue Anwendungen finden Die meisten Anwendungen sind heute vom her Umsatz betrachtet Nischen Interessante Zukunftsaussichten Organic Electronics Association (oe-a) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Prof. Stefan Güttler 23 12