Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik Konzepte, Konstruktionen und Kleinserien am MID-Applikationszentrum MIDAZ Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Mechatronic Integrated Devices (MID): Neue Werkstoffe Neue Prozesse Neue Anwendungen Fachworkshop am 13.02.2014 in Nürnberg
Das MID-Applikationszentrum MIDAZ ist am Lehrstuhl FAPS in den Gebäuden auf AEG integriert. 1. Position des MID-Applikationszentrum am FAPS an der FAU 2. Die Forschungsvereinigung 3-D MID e.v. 3. Motivation und Leistungsumfang des MIDAZ 2
Struktur der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg 37.891 Studenten - 13.000 Personal - 653 Professoren - 335 Lehrstühle Fakultäten Departments Philosophische Fakultät und Fachbereich Theologie Elektround Kommunikationstechnik 14 Lehrst. Rechts- und Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät Chemie und Bioingenieurwesen 10 Lehrst. Medizinische Fakultät Werkstoffwissenschaften 9 Lehrst. Naturwissenschaftliche Fakultät Maschinenbau 8 Lehrst. Technische Fakultät Informatik 12 Lehrst. 3
Das Department Maschinenbau an der Technischen Fakultät untergliedert sich in acht Lehrstühle mit vorwiegend fertigungstechnischer Ausrichtung. Lehrstühle des Departments Maschinenbau Fertigungstechnologie Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik Qualitätsmanagement und Fertigungsmesstechnik Kunststofftechnik Photonische Technologien Studiengänge Maschinenbau International Production Engineering and Management Mechatronik Wirtschaftsingenieurwesen Energietechnik Medizintechnik Technische Mechanik Technische Dynamik Konstruktionstechnik Zuständig für die ingenieurwissenschaftliche Ausbildung von mehr als 5.500 Studierenden! 4
Die vielseitige und fundierte Ausbildung sowie neue Studiengänge führen zu einem signifikanten Wachstum der Studierendenzahl am Department. Anzahl Studierender am Department Maschinenbau: Intern. Production Engineering & Management Energietechnik Medizintechnik Mechatronik ges. 5594 548 826 695 503 Wirtschaftsingenieurwesen Maschinenbau 1493 1529 2013 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 1989 1988 1987 1986 1985 1984 1983 1982 Jahr 5
Der Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik beschäftigt über 80 Mitarbeiter in 4 Arbeitsgruppen und 2 Standorten. Elektromaschinenbau Elektronikproduktion Bio- Mechatronik System Engineering Elektronik- & Elektromotorenproduktion auf AEG Nürnberg Forschungslabor Automation Technische Fakultät Erlangen 6
Ziel der Forschungsvereinigung 3-D MID e.v. ist die Förderung und Weiterentwicklung der MID-Technologie. Externe Öffentlichkeitsarbeit Interne Kooperationen Technologietransfer und Öffentlichkeitsarbeit durch Messen und Kongresse Veröffentlichungen zur Präsentation aktueller Entwicklungen Messen/ Kongresse Veröffentlichungen Arbeitsgruppen Workshops Aktivitäten mit begleitendem Ausschuss der Industrie Workshops zur Festlegung zukünftiger Schwerpunkte Homepage Forschungsprojekte Die Homepage als Plattform für aktuelle Informationen Öffentlich und aus eigenen Mitteln finanzierte Forschungsprojekte 7
Die aktuellen Forschungsprojekte decken die gesamte MID Prozesskette ab und sind sehr industrienah ausgerichtet. Konstruktion & Engineering Produktionsprozesse Substratmaterialien 3D Bestückung & AVT Qualität & Zuverlässigkeit 3D-MID Layout AFDiBa Rotorbasiertes 3D-MID Handling Automatisierte 3D-MID Montage LDS MID ChaMP Leiterbahn Verlauf für 3D-MID Bauteile und Überprüfung der Konstruktionsrichtlinien LDS fähige PBT- Pulverschüttungen zu Gehäusebauteilen mit Leiterbahnstrukturen verarbeiten Strukturierung von 3D-MID mit Industrierobotern 3D-MID Montage mit Standard- SMT- Produktionsanlagen Charakterisierung von Methoden zur Prüfung von Leiterbahnen auf 3D-MID 8
Die positive Mitgliederentwicklung der Forschungsvereinigung belegt das zunehmende Interesse an der Technologie 3D-MID. Stand 01.01.2012: Stand 01.01.2013: Stand aktuell: 82 Mitglieder 90 Mitglieder 92 Mitglieder Deutschland Österreich Schweiz Niederlande Frankreich Italien USA Systems 18 Components Assembly & Connection Structuring & Metallization 10 12 18 Tooling & Molding Materials Design & Engineering 14 14 6 9
Das Netzwerk 3-D MID umfasst aktuell 92 Mitglieder aus allen MID-relevanten Kompetenzbereichen. Design & Engineering Tooling & Molding Structuring & Metallization Assembly & Connection Components & Systems MECADTRON BUSS Atotech Eaton 2E mechatronic BMW PLEXPERT Castsolut Collini (CH) Dage Deutschland HASEC Cicor (CH) FED CRP (IT) FMB Essemtec (CH) Mektec Continental Hochschule Ostfalia - IfR DODUCO IMO Fritsch MID-TRONIC Festo Uni Paderborn - HNI INOTECH Laser Micronics Häcker ODU HARTING Mitronics (CH) Uni Weimar - Design Jaudas LPKF Heicks pretema Hoffmann + Krippner 6 PEP (FR) Lüberg HENKEL Seuffer LEONI PKT MID Solutions IBL TDK-EPC Robert Bosch Materials RF Plast Neotech Infotech TE Connectivity Salcon International RKT Panasonic Siemens Zollner Viscom DOW Walter Söhner Plasmatreat XENON 10 Fraunhofer IPT-EM DSM (NL) WWS Reinhausen Plasma Fraunhofer IZM HSG-IMAT EMS (CH) TU Chemnitz - Kunststoffe Vipem 12 KIT - wbk Ensinger (AT) Uni Erl-Nbg - LKT BLZ TNO (NL) Enthone 14 Fraunhofer IST Uni Akron (US) Evonik GSO Hochschule - KAM Uni Erl-Nbg - FAPS MacDermid (US) LZH Uni Hannover - HFT MEP (NL) Uni Erl-Nbg - LPT Uni Magdeburg - IMOS Raschig 18 18 Ticona Fraunhofer IFAM Hochschule Aalen Uni Erl-Nbg - LSP (07.09.12) Uni Erl-Nbg - WW3 Companies 14 Institutes 10
Im April 2013 ist das neue überarbeitete Standardwerk zur Technologie MID: Räumliche Elektronische Baugruppen (3D-MID) erschienen. Umfassender Überblick über den aktuellen Stand der 3D-MID-Technik: Mechatronische Integrationspotenziale durch MID Werkstoffe Formgebung Strukturierung Metallisierung Montagetechnik Verbindungstechnik Qualität und Zuverlässigkeit Prototyping Integrative Entwicklung von MID-Bauteilen Fallstudien Ab sofort verfügbar bei der Forschungsvereinigung 3-D MID e.v. unter www.3dmid.de 11
Steigende Produktanforderungen führen zu einer Weiterentwicklung von Molded Interconnect Devices zu Mechatronic Integrated Devices. Molded Interconnect Devices Mechatronic Integrated Devices Intelligentere Systeme Mechanische Funktionen Komplexe Bauelemente (ASICs, ICs) Softwarefunktionalität Höhere Komplexität Material Zusätzliche Funktionen Hybrid Optisch, thermisch, fluidisch etc. Ceramics Elektrische Funktionen Angepasstes Substratmaterial Multi-material Design Plastics Metals Function Kunststoffe, Metalle, Keramiken Sources: HARTING, Kromberg & Schubert, FAPS, 2E mechatronic, Robert Bosch 12
Der Fachworkshop beleuchtet drei der aktuellsten und innovativsten Applikationen der 3D-MID Technik. MID-OLED 2E mechatronic GmbH & Co. KG OSRAM Opto Semiconductors GmbH Sector: Technology: Quantity: Lighting technology, consumer Laserdirectstructuring 2.000 10.000 p.a. Source: OSRAM Circular Connector M12 HARTING AG Mitronics HARTING EC Sector: Technology: Quantity: Industrial automation, data Two-shot injection molding 100.000 p.a. Source: HARTING CCD Sensor Carrier MID HARTING AG Mitronics Sector: Technology: Quantity: Industrial, traffic, security Laserdirectstructuring 10.000 p.a. Source: HARTING Connector Module Cicor Technologies Ltd. Sector: Technology: Quantity: Medical, industrial, defence Laserdirectstructuring 20.000 p.a. Source: Cicor 13
Der neue MIDster verbindet Designelemente und Funktionalität als intelligente dreidimensionale Baugruppe. Verbindung von Design und verschiedenen Funktionen Nutzung der kompletten Oberfläche - Elektrische Schaltung - Antennen - Logos Gestaltungsfreiheit - Hinterschneidungen - Winkel und Kanten - Beliebige Freiformflächen 14
Herausforderungen mechatronischer Systeme, werden im optimalen MID- Design bei der Herstellung von 3D-MID Bauteilen gelöst Technische Anforderungen Prozessseitige Möglichkeiten Komplexität der Leiterbildstruktur Chemische Beständigkeit Thermische Anforderungen Elektrische Eigenschaften Herausforderung mechatronischer Systeme 3D-Fähigkeit Durchkontaktierung Metallisierungshaftung Leiterbahnbreite Optimales MID-Design Miniaturisierung Gewichtsreduzierung Funktionsintegration Teilereduzierung Umweltverträglichkeit Potenziale von Molded Interconnect Devices Verkürzte Prozessketten Kostenreduktion Erhöhte Zuverlässigkeit Produktbasierte Vorteile Produktionstechn. Potentiale 15
MIDAZ unterstützt bei Entwicklung, Prototypen-Fertigung sowie Produktionsplanung für mechatronisch integrierte Produkte. Anforderung Funktionsintegration Miniaturisierung Hohe Zuverlässigkeit Kostensenkung Herausforderung Integriertes elektr./mechan. Design Geringe Anwendungserfahrung Vielfalt an Werkstoffen Komplexität der Prozesskette Funktionsorientierte Konzeption des Produktes Fertigungsoptimale Produktgestaltung MIDAZ unterstützt über den gesamten Entwicklungsprozess Selektion geeigneter Anwendungen Entwicklung mechatronischer Baugruppen Herstellung funktionaler Prototypen Zuverlässigkeitsanalysen, Produktqualifizierung Produktionsplanung und Simulation Kleinserienfertigung 16
Die Entwicklung räumlicher elektronischer Schaltungsträger (3D-MID) erfordert spezielles Know-how und geeignete Tools. Untersuchung bestehender und neuer Produkte und Produkttechnologien mit speziellen Software-Werkzeugen zur Applikations- und Wirtschaftlichkeitsanalyse Beratung hinsichtlich möglicher Produktoptimierungen bzw. neuer Produktideen Funktionsorientierte Konzeption des Produktes: Integration thermischer, optischer, fluidischer, mechanischer und elektrischer Funktionalität Integriertes Design des mechanischen und elektrischen Aufbaus in 3D-ECAD Werkstoffeinsatzberatung, Werkstoffqualifizierung Fertigungsoptimale Produktgestaltung (Design for Manufacturing) mithilfe rechnergestützter Simulationssysteme (insb. Prozess-, Kinematik-, diskrete Anlagensimulation) Zuverlässigkeitsuntersuchungen Optische und zerstörende Prüfungen Beispiel MID- Demonstrator Projektion Schaltbild 17
Zur Herstellung funktionaler Prototypen stehen am MIDAZ verschiedene Technologien zur Verfügung. Technologien zur Herstellung von Prototypen Stereolithografie Mikro-Fräsen aus Standard-LDS-Materialien PU-Abguss über Silikonform für Stückzahlen Rapid Tooling für Stückzahlen größer 100 Strukturierung und Metallisierung Heißprägen Aerosol-Jetting (Optomec) Plasmastrukturieren (Rheinhausen Plasmadust) Laserstrukturierung (LPKF-LDS und ProtoPaint) und chemische Metallisierung (z.b. Cu-Ni-Au) Elektronik-Montage-Technologien Verbindungstechnologie mit Leitkleber und niedrigschmelzenden Lotpasten Flexible Handbestückung auch für extrem kleine Bauformen geeignet Automatisierte 3D-Bestückung für Präzionsanforderungen Angepasste Löttechnologie (z.b. Dampfphasenlöten oder selektive Lötverfahren) Test- und Zuverlässigkeitsuntersuchungen Elektrischer Funktionstest Zuverlässigkeitsanalysen (Temperaturwechsel, -Schock-, Vibrations-Testsysteme) Optische und zerstörende Prüfungen 18
Der flexible Einstieg in die Strukturierung von 3-D-MID wird durch LPKF-LDS und ProtoPaint ermöglicht. Vorteile von LPKF-LDS Zahlreiche Substratwerkstoffe mit LDS-Additiv verfügbar Einkomponenten-Spritzgussverfahren nutzbar Einfache Datenaufbereitung von CAD-Modellen durch integrierte Software Individuelle Werkstückaufnahmen gewährleisten volle Dreidimensionalität ProtoPaint: LDS-Lack für herkömmliche Kunststoffe nutzbar Quelle: LPKF Quelle: LPKF Quelle: LPKF Quelle: LPKF 19
Der Lehrstuhl FAPS untersucht verschiedene Verfahren zur Strukturierung dreidimensionaler Schaltungsträger. Chemische Metallisierung LPKF Laserdirektstrukturierung Reinhausen PlasmaDust Drucktechnologien Neotech Aerosol Jet Printing Quelle: LPKF Aktivierung des dem Substratmaterial zugesetzten Additiv durch Laserbestrahlung bei gleichzeitiger Erzeugung einer mikrorauen Oberfläche. Anschließende chemische Metallisierung im Bad. Nutzung von einem oder mehreren Laserscanner- Einheiten zur gezielten Auslenkung des Laserstrahls und Bestrahlung des Substrats. Quelle: Reinhausen Additive Metallisierung des Substrats aus einem kalt-aktiven Atmosphärendruck-Plasma. Kontinuierliches Fördern und Aufbringen des Beschichtungspulvers über den Plasmastrahl. Erzeugung der Strukturen durch Relativbewegung Prozessdüse zu Substrat oder Substrat zu Prozessdüse. Quelle: Neotech Drucktechnologie zum Aufbringen in einem Schutzgas geförderter funktionaler Tinten auf miniaturisierte 3D-Baugruppen. Erzeugung der Strukturen durch Relativbewegung Prozessdüse zu Substrat oder Substrat zu Prozessdüse. 15.02.2014 20
Feine elektrische Strukturen können mittels dreidimensionaler Drucktechnik - Aerosol-Jet erzeugt werden. Vorteile von Aerosol-Jet Feinste Strukturen (< 100 µm) Drucken von Funktionselementen (Leiterbahn, Widerstand) Breites Spektrum an Materialeigenschaften des Druckmediums Komplexe 3D-Formen durch kontaktlosen Prozess möglich Vollständig additiver Prozess substituiert chemische Metallisierung Bildquelle: Neotech Bildquelle: Neotech Bildquelle: Neotech 21
Eine innovative Beschichtung von Kunststoffen bietet kaltaktives Atmosphärenplasma plasmadust. Vorteile von plasmadust Niedrige thermische Belastung des Substrats (10 150 C) Variabilität der Substrate (Polymere, Metalle, Glas, Textil) Variabilität der Beschichtungsmaterialien (Metalle, Halbleiter, Polymere) Flexible Schichtdicken herstellbar (1 200 µm) 3D-fähig durch flexibles Handhabungssystem Quelle: Reinhausen Plasma Quelle: Reinhausen Plasma Quelle: Reinhausen Plasma Quelle: Reinhausen Plasma 22
Die Kleinserienfertigung wird von qualifizierten Kooperationspartnern unterstützt. Verfahrensentwicklung für die spezifischen Herausforderungen der Fertigung von 3D-MID Entwicklung qualifizierter Prozesse für die gesamte Prozesskette (Aufbau des Schaltungsträgers, Strukturierung und Metallisierung, 3D-Montage) Anlagentechnik für die Elektronikproduktion am Lehrstuhl FAPS Schablonendrucker Dispenser Standard-SMD-Bestückautomaten Automatisierter 3D-Bestücktechnologie Technologien zur flexiblen Handbestückung Konvektionslötanlage Selektivwellen-, Licht- und Dampfphasenlötanlagen Au- und Al-Drahtbonder Die Bilder zeigen eine Füllsimulation von PLEXPERT. 23
Zuverlässigkeitsuntersuchungen und Produktqualifizierungen werden entsprechend den Anforderungen des Produkteinsatzes durchgeführt. Zuverlässigkeitsuntersuchungen Prüfschränke für Temperatur/Feuchte-wechsel und Temperaturschock Elektrodynamischer Schwingerreger mit aufgesetzter Klima-Kammer Optische Prüfungen: Röntgenanalysen Lichtmikroskopie 3D-Laserscanning Konfokales Laserscanmikroskop Thermografie-Aufnahmen Röntgenfluoreszenz- Schichtdickenmessungen Hochgeschwindigkeitsaufnahmen Optische Koordinatenmessungen Zerstörende Prüfungen Schältest Stirnabzug Pull- und Schertest Schliffbilduntersuchungen 24
Die Zukunft der 3D-MID Technologie wird am FAPS durch das MIDAZ mitgetragen. Die Technologie 3D-MID hat den Durchbruch geschafft MID-Herstellungsverfahren sind serienreif entwickelt, die Technologie 3D-MID wird beherrscht. Zahlreiche Applikationen werden in Serie umgesetzt, auch in hochvolumiger Produktion. Verschiedene Marktsegmente nutzen die Technologie 3D-MID, auch die Automobilindustrie für sicherheitsrelevante Funktionen. Der weitere Fortschritt ist kein Selbstläufer Intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit muss geleistet werden: Materialien (z. B. Duroplaste, HT-Thermoplaste, Keramik) Angepasste Aufbau- und Verbindungstechnik für 3D-MID Hocheffiziente Fertigungsanlagen Erweiterte Fertigungskompetenzen in Europa Standardisierung/Normen für 3D-MID 25
Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg DANKE Egerlandstraße 7-9 Tel.: +49.9131.8527569 D-91058 Erlangen Fax: +49.9131.302528 www.faps.uni-erlangen.de