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Foto: Automoteam
Bei der Suche nach Lösungen für nachhaltige Elektromobilität und Ressourceneffizienz spielen fortschrittliche Materialien eine entscheidende Rolle.

E-Mobilität

Kupfer und Aluminium in neuartiger Kombination

Diese innovative Kombination aus Aluminium und Kupferdruck ermöglicht neuartige und nachhaltige Anwendungen für E-Mobilität, erneuerbare Energien und mehr.

Die Unternehmen Automoteam GmbH (Deutschland) und Print CB (Israel) präsentieren ein  Multimaterialsystem mit neuen mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften, bei dem die  Kombination von funktionalisierten Aluminiumoberflächen mit neuartigem Kupferdruck viele weitere Optimierungspotenziale in den Bereichen Elektromobilität, gedruckte Elektronik, Leistungselektronik, Heizung und Kühlung, LED-Lichtsysteme und erneuerbare Energien eröffnet.

Kupfer ist seit einem halben Jahrhundert das am häufigsten verwendete leitfähige Material in der Elektronik und Kommunikation. Dennoch ist das Drucken von Kupfer trotz seiner offensichtlichen Fortschritte seit vielen Jahren eine große technologische Herausforderung.

Print CB geht die Kupferherausforderung mit einem völlig neuen Ansatz an. Durch fortschrittliche Chemie und Materialwissenschaft konnte das Unternehmen Coppair entwickeln, eine Plattform, die konventionelle Drucktechnologien nutzt, um leitfähiges Kupfer bei niedrigen Trocknungstemperaturen und Umgebungsbedingungen zu drucken und Oxidation zu überwinden. Die Möglichkeit, Kupfer bei Temperaturen von bis zu 110 °C unter Verwendung traditioneller industrieller Prozesse zu drucken und in heißer Luft zu trocknen, eröffnet neue Möglichkeiten für Kombinationen von gedruckter Elektronik in Kunststoffen sowie anderen weniger empfindlichen Materialien.

Diese Aluminium-Oberflächen kombinieren widersprüchliche Werkstoffeigenschaften.

Metaker Surface ist ein Verfahren für die elektro-plasmachemische Modifikation von Leichtmetalloberflächen im Tauchverfahren. Der Prozess wandelt die Randschichten eines Werkstücks unter Elektrolyt-Plasma und unter Einfluss von Millionen Mikro-Lichtbögen zu einem neuartigen Mikro-Verbundwerkstoff um.

Aluminium Komponenten mit Metaker Randschichten sind mikrostrukturiert, mikroporös, chemisch aktiviert, gradiert und auf eine einmalige Art multifunktional. Für die Elektromobilität und erneuerbare Energien wären unter anderem folgende neuen Oberflächeneigenschaften von modifizierten Aluminium interessant: sehr gute bis extreme Verschleißbeständigkeit, sehr gute Korrosionsbeständigkeit, sehr gute elektrische Isolierung, sehr gute Wärmeleitfähigkeit, sehr gute Wärmestrahlung, sehr gute Lichtreflektion oder Lichtabsorption, Mikrostrukturierung mit sehr hoher spezifischer Oberflächengröße, Mikroporosität, chemische Aktivierung und enorme Kompatibilität mit anderen Werkstoffen, sehr gute dekorative Eigenschaften.

Jegliche Aluminium-Komponenten wie massive Bauteile, Bleche, Folien, Schichten, Gewebe, Draht, Drahtwicklungen, offenporige Schäume und sogar wasserbeständige Werkstoff-Hybride mit einer Aluminium-Komponente können im Metaker Verfahren modifiziert werden. Ihre Geometrie darf dabei beliebig komplex sein.

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Foto: Automoteam Das große Bild zeigt Lichtmikroskopische Aufnahmen einer Metaker Oberfläche. Kleines Bild oben zeigt den Querschliff eines Aluminium-Teils (weiß im Bild) mit Metaker Schicht. Kleines Bild unten zeigt einen modifizierten Aluminium-Kühlkörper.

Substitution von teureren Materialien

Die neuen Werkstoffeigenschaften von Aluminium-Randschichten erlauben die Substitution von teuren Aluminium-Legierungen, Stahl, Titan, Messing, Bronze, PEEK oder Keramik. Zugleich können dadurch die Funktionalität und Effizienz verschiedenster Produkte verbessert werden. Außerdem werden die Produktionsprozesse durch eine solche Substitution unabhängig von konventionellen, umweltbelastenden Oberflächentechnologien wie Phosphatieren, Anodisieren, Chromatieren, Chromieren, Brünieren, kathodische Tauchlackierung, Pulverlackierung, Chemisch-Nickel, CVD, PVD, und vielen anderen.

Die Metaker Prozesssteuerung erlaubt die Herstellung hunderter unterschiedlicher Eigenschaftsprofile. Manche davon befinden sich seit 2010 in der Serienproduktion, die meisten sind jedoch noch einem breiten Publikum unbekannt und unerforscht.

Neuartiger Kupferdruck auf Aluminium

Die multifunktionalen, mikroporösen, mikrostrukturierten und chemisch aktivierten Metaker-Oberflächen können in verschiedenen Verfahren mit Kupfertinten bedruckt werden. Das folgende Bild zeigen verschiedene Metaker-Oberflächen, die mit der Kupfertinte von Print CB bedruckt wurden. Diese Oberflächen werden im Siebdruckverfahren bedruckt und anschließend bei 140 °C getrocknet, wodurch eine starke Haftung und eine gute elektrische Leitfähigkeit von ca. 0,07 Ohm pro Quadrat erreicht werden. Die Wärmeleitfähigkeit des Kupfer-Metaker Verbundes wurde ebenfalls bewertet und lag im Bereich von 30-40 W/m*K. Das Löten an Kupfertinte wurde auch mit Sn-Bi-Lotpaste demonstriert. Die Metaker-Oberflächen und die Kupfertinten können an unterschiedliche Anwendungen angepasst werden.

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Foto: Automoteam Beispiel für die neuartige Kombination von Kupferdruck und Aluminium

Die obere Probe zeigt eine 100 mm lange und 1 mm breite Elektrode, die auf einem braunen, dekorativen Metaker-Substrat im Siebdruck Verfahren gedruckt wurde. Der Gesamtwiderstand der Elektrode beträgt 7 Ohm. Das Muster rechts zeigt eine Anordnung von Kupferbahnen, gedruckt auf einem weißen, dekorativen Metaker-Substrat inklusive Löten von Drähten und LED.

Das linke Beispiel zeigt eine 50x50 mm große Kupferoberfläche, die auf einem weißen, dekorativen Metaker Substrat gedruckt wurde. Dieses Beispiel demonstriert ein potenzielles Thermal Interface Material (TIM) für die Anwendung in der Leistungselektronik. Eine solche Oberfläche kann gelötet werden, um Leistungsgeräte zu befestigen. Auf dieser Oberfläche durchgeführte thermische Messungen ergaben eine Wärmeleitfähigkeit von 30-40 W/m*k.

Vorteilhafte Kombination für viele Anwendungen

Die Kombination aus Kupfer und funktionalisiertem Aluminium eröffnet neue Möglichkeiten und nutzt das Beste dieser beiden technischen Materialien. Aluminium ist ein leichtes, kostengünstiges Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit und das Metall der Wahl für die Automobilindustrie. Das Bonding auf Aluminium ist jedoch aufgrund seines nativen Oxids eine Herausforderung. Die Funktionalisierung von Aluminium kann helfen, diese Herausforderung zu meistern.

Das Drucken von leitfähigem Kupfer ermöglicht eine kostengünstige Herstellung von Schaltungen, Elektroden, Pads und leitfähigen Oberflächen für eine Vielzahl von Anwendungen. Die Möglichkeit, leistungselektronische Geräte wie LEDs, Wechselrichter und andere auf eine auf Aluminium gedruckte Kupferoberfläche zu löten, gewährleistet eine hervorragende Wärmeableitung und eröffnet viele neue Möglichkeiten beim Design von Leistungselektronik der nächsten Generation in Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energien.

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Innovationsentwicklung

Mithilfe der neuen Technologien können bestehende Produkte und Prozesse optimiert sowie disruptive Produkt- und Prozessinnovationen in unterschiedlichsten technischen Fachgebieten entwickelt werden. Intelligente Hybridlösungen mit Metaker Oberflächen und Kupfer werden in kooperativer Zusammenarbeit zwischen spezialisierten Partnern aus Wissenschaft, Industrie und Services entwickelt und realisiert. Sie werden anwendungsspezifisch konzipiert und über Funktionsprototypen in mehreren Iterationen bis zur Serie entwickelt.

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