Innovative Produktentwicklung mit LDS-Prototyping Methoden. Dipl.-Ing. Vitalij Wottschel, LaserMicronics GmbH

Transkript

1 > Innovative Produktentwicklung mit LDS-Prototyping Methoden, LaserMicronics GmbH

2 LaserMicronics.bietet als Dienstleister einen umfassenden Job-Shop-Service im Bereich der industriellen Lasermikrobearbeitung an Seit Mitarbeiter Zertifiziert nach ISO 9001:2008 Fertigungsstandorte in Garbsen und Fürth

3 LaserMicronics Prozessentwicklung und Serienfertigung vom Spezialisten für Mikromaterialbearbeitung mit modernster Lasertechnik. Consulting Produktionsdienstleistung Prozessentwicklung Prozessoptimierung Prototypen Kleine Serien Massenproduktion 3

4 LaserMicronics Standort Garbsen 3D-MID, PCB-Technologie, Glasbearbeitung, Metall-/ Keramikbearbeitung, Metallisierung

5 LaserMicronics Standort Fürth Laser-Kunststoffschweißen

6 Die 3D-MID Technologie MID Molded/Mechatronic Interconnect Device Räumliche elektronische Schaltungsträger/Baugruppen 3D-Substrat (z.b.spritzgussteil) Mechanische Baugruppe 3D-MID-Bauteil Mechatronische Baugruppe 3D-Schaltungslayout Elektronische Baugruppe Motivation - Miniaturisierung - Integrierte Funktionalität (Antennen, Sensoren, ) - Bauteilreduzierung - Elektrische und mechanische Funktionen in einem Bauteil

7 Wann ist MID sinnvoll? Herkömmliche Fertigungsmethode: Entwickler und Konstrukteure erreichen ständig die Grenzen der traditionellen Herstellungsverfahren. Elektrische und mechanische Funktionen werden in getrennten Baugruppen realisiert und aufwändig miteinander verbunden. Zunehmende Miniaturisierung führt zu immer komplexeren Lösungen. 3-dimensionale Schaltungen sind so nur mit aufwendiger Verbindungstechnik möglich. wenn überhaupt!!! Quelle: CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA

8 Wann ist MID sinnvoll? Lösung: MID-Technologie Der Schritt in die dritte Dimension ermöglicht die Kombination von mechanischen und elektrischen Funktionen in nur einem Bauteil. Elektrische Leiterbahnen werden direkt auf 3-dimensionale Oberflächen aufgebracht : Leiterplatten oder Flex-Schaltungen mit aufwändiger Verbindungstechnik entfallen Miniaturisierte (echte) 3D-Bauteile ermöglichen kompakte und komplexe Bauformen MID Quelle: CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA / LaserMicronics

9 LDS MID-Technologie Prinzipiell drei Prozessschritte zur Erstellung eines dreidimensionalen Schaltungsträgers (3D-MID) 1. Spritzguss 2. Laserstrukturierung 3. Metallisierung Notwendige Voraussetzungen: Material: Thermoplastische Kunststoffe, die mit einem laseraktivierbaren Additiv gefüllt sind, welches die spätere Metallisierung katalysiert. Laseranlage: Erzeugung einer mikrorauen Oberfläche auf dreidimensionalen Kunststoffbauteilen durch Ablation und gleichzeitige Aktivierung des Additivs durch physikalisch-chemische Reaktion mit dem Laserstrahl

10 LDS Werkstoff-Portfolio Über 70 LDS-Kunststoffe sind kommerziell erhältlich und von LPKF qualifiziert PEI

11 Schritt 1 Spritzgießen Standard Spritzgießprozess Designregeln beachten: - Keine Trennmittel oder Silikone verwenden - Auswerfer nicht auf den Layoutbereich legen - Oberflächengüte Rz= 5µm ausreichend

12 Schritt 2 Laseraktivierung LDS- Spritzgussteil Ø ~80µm IR-Laser 1064nm Katalysatorkeime Laserstrahl Polymer + Katalysator Freigelegtes und durch Laserenergie aktiviertes Additiv Gelaserte Oberfläche Ungelaserte Oberfläche

13 Schritt 3 Metallisierung

14 Schritt 3 Metallisierung Stromlose Metallisierung Chemische Reduktion von Kupferionen auf das Kupfer, welches selektiv durch den Laserstrahl aktiviert wurde Standard Metallisierungsschichten und Schichtdicken: 4 15 µm Kupfer 3 10 µm Nickel (NiP) 0,1 0,15 µm Gold Lieferanten für den chemischen LPKF LDS Metallisierungsprozess

15 Schritt 3 Metallisierung Teilweise eingebettete Leiterbahn Querschliffdarstellung: Cu LDS-Polymer Haftfeste Verankerung des abgeschiedenen Kupfers

16 Marktübersicht für LPKF-LDS Weltweite Marktübersicht der LPKF-LDS Technologie 1. Kommunikation (89%) 2. Automotive (5%) 3. Medizin (3%) 4. Micro Packaging (2%) Communication Automotive Medical Micro Packaging Security 5. Sicherheitstechnik (1%)

17 Applikationsbeispiele Multifunktionelles Lenkrad BMW Z4 Reduzierung von Bauteilen und Montageaufwand Quelle: TRW

18 Applikationsbeispiele LED Leuchtmittel Direkter Austausch der herkömmlichen Glühlampe, begrenzter Bauraum! MID Vorgängervariante: Halogenlampe Quelle: 2e mechatronic Der Kunststoffkörper entspricht Hinsichtlich der Bauform dem Glaskörper der Halogenlampe und enthält bereits notwendige Bauteile (Widerstand, LED)

19 Applikationsbeispiele Adaptive Cruise Controll (ACC) Reduzierung von Bauteilen und Montageaufwand MID Quelle: HARTING AG Mitronics Sehr genaue Positionierung der Leiterbahnen auf dem Bauteil für Hall-Sensorik

20 Applikationsbeispiele LDS Taktilsensoren für Roboter und Prothesen Räumliche Bauform mit anderen Technologien nicht möglich Quelle: LaserMicronics, LPKF, Citec

21 Applikationsbeispiele Drucksensor Miniaturisierung Quelle: VTI inside Bonden mit 33 µm Golddraht

22 LPKF-LDS -Prototyping-Verfahren Festo BionicAnts Reduzierung von Bauteilen und Montageaufwand Räumliche Bauform mit anderen Technologien nicht möglich Quelle: Festo AG & Co. KG

23 LPKF-LDS -Prototyping-Verfahren MID-Produktenstehungszyklus Idee Präsentation Prüfung Design 3D-CAD Model Optimierung Nacharbeit Planung intern/extern Validierung Musterfertigung LDS-Prototyping Interdisziplinäre Zusammenarbeit Quelle: Franke J.; Räumliche elektronische Baugruppen; Hanser 2013

24 LPKF-LDS -Prototyping-Verfahren Erstellung von 3D-CAD-Daten: Bauteilkörper + Leiterbahnlayout als Stepdatei Quelle: EOS Bauteil erstellen z.b. 3D-Printing Lackieren Laserstrukturieren Metallisieren

25 LPKF-LDS -Prototyping-Verfahren 3D-Körper: Herstellungsverfahren (Auswahl) Rapid Prototyping Vorteile Nachteile Stereolithographie (SLA) Sehr gute Oberflächen, Hohe Auflösung Epoxydharze und Acrylate mit z.t. geringeren Eigenschaftsprofilen Selektives Lasersintern (SLS) Objet / Polyjet 3D-Printing Fused Deposition Modeling (FDM) Verarbeitung von teilkristallinen Thermoplasten (Polyamide, Polystyrol) seriennahe Eigenschaftsprofile Hohe Auflösung, Relativ hohe Prozessgeschwindigkeit Hohe Prozessgeschwindigkeit, z.t. seriennahe Kunststoffe einsetzbar (PC, ABS) Geringere Auflösung als SLA. Raue, z.t. poröse Oberflächen (behandelbar) Spezielle Materialien (Acrylate) nötig, nur bedingt funktionsfähig Raue Oberflächen, z.t. geringer Detaillierungsgrad Alternativ Vorteile Nachteile Spritzguss Fräsen thermoplastischer Halbzeuge Alle Kunststoffe, seriennahe Herstellung, Hohe Oberflächengüte Alle Kunststoffe, seriennahe Herstellung Hohe Prozesskosten, für RP nur bedingt geeignet I.d.R. auf kleine Bauteile beschränkt, Lunkerbildung, Bauteilverzug 213

26 LPKF-LDS -Prototyping-Verfahren Auswahl des Basismaterials & Verfahrens Temperaturbeständigkeit Chemikalien- und Lösemittelbeständigkeit Mechanische Belastbarkeit Oberflächengüte (Rauheit, Porosität) Nachbehandlungsmöglichkeit Quelle: EOS PA 2200 auf Basis von Polyamid 12 (weiß) flüssiges Imprägniermittel (nanoseal 180W): Durch die Kapillarwirkung werden die Poren versiegelt, Aushärtung nach 24 Stunden bei 25 C

27 LPKF-LDS -Prototyping-Verfahren LDS-fähiger Lack in der Sprühdose (Ready-To-Use) applizierbar auf einer Vielzahl von Substraten (Kunststoff, Keramik, Metall u.a.) Schichtdicke (25-40µm) Trocknungszeit (z.b. 3h bei 70 C) ProtoPaint LDS ist geeignet für Reflowlötprozesse, bei Temperaturen bis 270 C ProtoPaint LDS (Prototyp) Ergebnis der Scherkraftmessung: ~82 N

28 LPKF-LDS -Prototyping-Verfahren Laserdirektstrukturieren mit dem LPKF System Fusion3D 1200 Bearbeitungsfeld für eine Strukturierungsposition: 200 x 200 x 80mm (L x B x H) Laserleistung 25W Laserfokusdurchmesser 100µm Visionssystem Strukturierungsgeschwindigkeit bis 4m/s

29 LPKF-LDS -Prototyping-Verfahren Laserdirektstrukturieren mit dem LPKF System Fusion3D 1200 Circuit Pro 3D Daten der Ameisen-Beine links/rechts PU2 PU1 PU3

30 LPKF-LDS -Prototyping-Verfahren Laserdirektstrukturieren mit dem LPKF System MicroLine3D 160i Bearbeitungsfeld für eine Strukturierungsposition: 160 x 160 x 25mm (L x B x H) Laserleistung 16 W Laserfokusdurchmesser 80 µm Visionssystem Strukturierungsgeschwindigkeit bis 4m/s

31 LPKF-LDS -Prototyping-Verfahren Laserdirektstrukturieren mit dem LPKF System MicroLine3D 160i Microline 3D Daten des Körpers Microline 3D Daten des Deckels

32 LPKF-LDS -Prototyping-Verfahren Metallisierung Verwendete Metallisierungsbäder: MacDermid MID 100 B1 DOW Circuposit 4500 Badtemperaturen: Kupfer: C Nickel: C Gold: C Temperatursensibilität der 3D-Prototypen beachten Mehr Ablationsprodukte Sorgfältige Reinigung (Ultraschall, DI-Wasser, Bürste), um die Kantenschärfe zu erhöhen

33 LPKF-LDS -Prototyping-Verfahren Metallisierung: Ameisen-Körper Metallisierungsschichten und Schichtdicken 8 10 µm Kupfer ; 5 8 µm Nickel; 0,1 µm Gold

34 LPKF-LDS -Prototyping-Verfahren Metallisierung: Ameisen-Deckel und Beine Metallisierungsschichten und Schichtdicken 8 10 µm Kupfer ; 5 8 µm Nickel; 0,1 µm Gold Deckel Beine

35 LPKF-LDS -Prototyping-Verfahren Aufbau- und Verbindungstechnik Leitkleber Manuelle Ausführung mit einem Lötkolben SMD-Lotpaste (Niedertemperaturlot ): Sn42Bi58, Schmelztemperatur 138 C Quelle: Festo AG & Co. KG

36 Marktübersicht für LPKF-LDS Weltweite Marktübersicht der LPKF-LDS Technologie Kommunikation (57%) 2. LED Technologie (12%) 3. Medizin (9%) 4. Micro Packaging (8%) 5. Automotive (7%) 6. Kamera Module (6%) Communication LED Lighting Medical Micro Packaging Automotive Camera Module Security 7. Sicherheitstechnik (1%)

37 LPKF-LDS -Prototyping-Verfahren Vielen Dank!!! Quelle: Dipl.- Ing. Vitalij Wottschel Osteriede 9a D Garbsen Germany Tel.: +49-(0) Fax: +49-(0)