Ist 3D-gedruckte Elektronik reif für den Massenmarkt?

3D-gedruckte Elektronik, auch als 3D Structural Electronics bezeichnet, stattet alle möglichen Objekte mit elektronischen Zusatzfunktionen aus. „Mit gedruckter Elektronik lässt sich die steigende Nachfrage nach smarten Produkten mit anspruchsvollen elektronischen Zusatzfunktionen erfüllen – und das bei großer Designfreiheit“, betont Dr. Klaus Hecker, Geschäftsführer des Branchenverbandes und Lopec-Mitveranstalters OE-A (Organic and Printed Electronics Association). Seit einigen Jahren beobachtet Hecker zudem ein zunehmendes Interesse verschiedener Anwenderindustrien an individualisierbaren Fertigungsprozessen: „Das Ziel ist die Herstellung von maßgeschneiderten smarten Produkten zu konkurrenzfähigen Kosten.“

Diesen Trend greift die diesjährige Lopec auf, denn die gedruckte Elektronik spielt hier eine Schlüsselrolle. „Wenn man die digitalen Fertigungstechnologien Inkjetdruck und Laserbearbeitung geschickt in Umgebungen der Massenfertigung integriert, können Produkte in-line individualisiert werden“, erklärt Professor Reinhard Baumann vom Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS: „Unikate lassen sich so mit Verfahren der Massenfertigung herstellen.“

In seinem Plenarvortrag auf dem Lopec Kongress wird Baumann diesen Ansatz und das von ihm koordinierte Fraunhofer-Projekt „Go Beyond 4.0“ erläutern. In dem Projekt entwickeln Forscher aus sechs Fraunhofer-Instituten zum Beispiel gedruckte und in glas- oder carbonfaserverstärkte Kunststoffe eingebettete Heizstrukturen für den Flugzeugbau sowie eine smarte Autotür mit Leiterbahnen, Sensoren, Schaltern und Leuchtdioden, die teilweise direkt auf die Karosserieteile gedruckt werden. Fraunhofer nimmt mit dem Projekt an der OE-A Competition teil und wird im Zuge dessen auch am Stand des Verbandes erste Prototypen zeigen.

Fraunhofer ENAS stellt seit dem Jahr 2010 auf der Lopec aus und bezeichnet sie als führende Fachmesse sowie wichtigsten Kongress für gedruckte Elektronik und deren Anwendung. Auf der diesjährigen Lopec ist die Fraunhofer-Gesellschaft mit insgesamt 13 Einrichtungen vertreten. Zu ihrem weiten Spektrum an Neuentwicklungen zählen gedruckte Solarzellen ebenso wie eine Rolle-zu-Rolle-Pilotlinie für die Fertigung von flexibler hybrider Elektronik und neue Funktionsmaterialien.

Drucktinten und -pasten mit elektronischen Eigenschaften sowie flexible Trägermaterialien, die damit eine stabile Verbindung eingehen, bilden die Grundlage für 3D Structural Electronics. Dr. Hongye Sun vom Karlsruhe Institute of Technology wird auf dem Lopec Kongress extrem dehnbare silberbasierte Drucktinten vorstellen. Das Konzept basiert auf der sogenannten Kapillarsuspension: Eine Substanz, die sich nicht mit der Hauptkomponente der Drucktinte mischt, bildet Brücken zwischen den Silberpartikeln. In ihrem Vortrag „3D printable and stretchable inks and their applications“, der im Rahmen der Session „Materials III – Metal Inks“ stattfindet, wird Sun die Strategie erklären.

Rund 35 Materialhersteller – darunter Heraeus und Elantas aus Deutschland, ACI Materials aus den USA, GenesInk aus Frankreich, Dupont aus Großbritannien und Panasonic aus Japan – präsentieren ihre Neuheiten in München. Ein weiterer Schwerpunkt der Lopec liegt auf Fertigungsprozessen. Eine Alternative zum direkten Bedrucken von 3D-Teilen ist die Thermoverformung von auf Kunststoff gedruckten 2D-Komponenten.

Lopec-Aussteller Adenso hat eine Rolle-zu-Rolle-Drucktechnik mit integriertem Umformungsprozess für die Massenproduktion von 3D-Elektronik entwickelt. In der Kongress-Session „Upscaling and manufacturing processes“ wird Adenso-Geschäftsführer Uwe Beier die Umformung von gedruckter Elektronik näher beleuchten. Aussteller watttron wiederum zeigt ein spezielles Heizsystem für die Thermoverformung: Es basiert auf vielen kleinen, in einer Matrix angeordneten Heizpixeln, deren Temperatur sich individuell programmieren und regeln lässt. Markus Stein, CEO des Unternehmens, wird in der Session „3D Structural Electronics“ darauf eingehen.

Neben dem Thermoformen bietet sich insbesondere auch der Spritzguss für die Produktion von 3D Structural Electronics an. Im Lopec Short Course „IMSE technology for smart molded structures“ informieren Dr. Pälvi Apilo und Dr. Outi Rusanen von dem finnischen Unternehmen TactoTek über das Potenzial der Spritzgusstechnik IMSE (Injection Molded Structural Electronics). Damit lassen sich gedruckte Schaltungen und andere elektronische Komponenten in 3D-Bauteile integrieren. Die Lopec Short Courses führen in Spezialgebiete der gedruckten Elektronik ein und finden traditionell am ersten Kongresstag statt. Dieses Jahr widmen sie sich unter anderem auch gedruckten Biosensoren, Perowskit-Solarzellen und textiler Elektronik.

„Welche Materialien und Techniken sich am besten zur Herstellung von 3D Structural Electronics eignen, hängt von der jeweiligen Anwendung ab“, betont Hecker. „Da wir mit der Lopec die gesamte Wertschöpfungskette der gedruckten Elektronik und verschiedene Anwenderindustrien abdecken, bieten wir Interessierten aus allen Branchen eine umfassende Entscheidungshilfe.“ Die Lopec versteht sich zudem als Brücke zwischen Wissenschaft und Anwendung. In der Kombination aus internationaler Fachmesse und Kongress macht sie es allen Akteuren leicht, miteinander ins Gespräch zu kommen und die gedruckte Elektronik weiter voranzubringen.

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