Electronics goes 3D – Disruptive Innovationen eröffnen neue Anwendungen

Wolfgang Mildner

Wolfgang Mildner ist Inhaber der MSWtech, eines Beratungsunternehmens mit Fokussierung auf Anwendungen im Feld der gedruckten Elektronik mit Kunden insbesondere im Ausland, z.B. im europäischen Ausland, Indien und USA. In Teilzeit arbeitet er derzeit als Netzwerkmanager der ENERGIEregion/Nürnberg für das ZIM Netzwerk HIDRONIK (hybride Systeme auf Basis gedruckter Elektronik).

Wolfgang Mildner war von 2004 bis 2014 Geschäftsführer von PolyIC (einem führenden Unternehmen für gedruckte Elektronik). Davor war Wolfgang Mildner in verschiedenen Geschäftspositionen für Siemens tätig (Neugeschäftsentwicklung, Geschäftsbereich für Industrie-PCs, Failsafe-SPS und andere). Wolfgang Mildner war für eine Reihe von Innovationsprojekten verantwortlich, die vielversprechende Technologien in Geschäfte umgesetzt haben.

Wolfgang Mildner studierte und erwarb das Diplom für Informatik an der Technischen Universität Erlangen.

Neben seinen beruflichen Aktivitäten ist Wolfgang Mildner:

• Fellow der OE-A.
• General Chair der LOPEC, des weltgrößten Events für gedruckte und flexible Elektronik.
• Mitglied des Forschungsbeirats von 3D MID (Mechatronic Integrated Devices).
• Mitglied des Executive Education Advisory Board und Dozent des MBA-Programms der TU München.
• Mitglied der Jury des Bayerischen Businessplan-Wettbewerbs

Elektronik wird zu 3D Elektronik - Von der gedruckten Elektronik zur 3D-Strukturelektronik - Status und Roadmap für neue kompakte 3D-Funktionsanwendungen

Gedruckte Elektronik ist eine Plattformtechnologie zur Herstellung dünner, flexibler und leichter funktionaler Komponenten und Systeme. Sie basiert auf spezifischen Kunststoff- und Metallmaterialien; die Produktionstechnologien ergänzen sich mit additiven Fertigungsverfahren. Gedruckte Elektronik nutzt verschiedene angepasste Rolle-zu-Rolle- und Bogendruckverfahren wie Offset-, Tief- oder Tintenstrahldruck zur Herstellung.

3D-gedruckte Elektronik kombiniert die Produktionsprozesse der gedruckten Elektronik mit 3D-Druckverfahren, um neue Geometrien, Formate und Anwendungen zu ermöglichen. Die Integration und Kombination verschiedener Komponenten, der Mechanik und der elektrischen und elektronischen Schnittstellen erfordert Kompetenz und Erfahrung.

Der Vortrag gibt eine Einführung, einen Überblick über den Stand der Technik und einen Ausblick in die OE-A-Roadmap (Organic and printed electronics association) für bestehende und zukünftige Anwendungen gedruckter Elektronik und 3D-Strukturelektronik und Funktionen.

Julian Schirmer

Aktuelle Position:
Prozessentwickler Systemoptimierung, Carl Zeiss SMT GmbH (ab Oktober 22)

Ausbildung:
M.Sc. Applied Research in Engineering Sciences, Technische Hochschule Nürnberg
B.Eng. Mechatronik / Feinwerktechnik, Technische Hochschule Nürnberg

Promotionsprojekt:
Projektname: MecDruForm - Herstellung Mechatronischer Module auf Basis von Kunststofolien durch Kombinationen von Druck- mit Umform und Spritzgusstechnologien
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Marcus Reichenberger
Institut: Ohm-CMP, Technische Hochschule Nürnberg
Kooperationspartner für die Promotion: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg;
Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke
Projektzeitraum: 2017- 2022

Projektvorstellung MecDruForm

Im Rahmen dieses Vortrags wird die Herstellung von 3D-Mechatronikbaugruppen thematisiert.
Im Projekt MecDruForm wurde der Ansatz einer Kombination von Druck-, Umform- und Spritztechnologien untersucht. Drei zentrale Aspekte stehen im Fokus: Zunächst wird das Schaltungslayout auf flache Folien mittels Siebdruckverfahren aufgedruckt und elektrisch funktionalisiert. Anschließend werden SMD-Bauteile mittels üblicher Verbindungstechnologien (Löten und Leitkleben) aufgebracht, um funktionsfähige 2D-Schaltungsträger herzustellen. Diese werden in weiteren Schritten durch Hochdruckumformen in eine 3D-Form überführt und mittels Spritzguss geschützt.

In dieser Prozesskette ergeben sich besondere Herausforderungen für die eingesetzten Materialien (Siebdruckpaste, AVT und Verbindungsmedien) und das Schaltungslayout, da beim Umformen und Umspritzen mechanische Belastungen auftreten. Im Verlauf des Vortrags werden elektrische und mechanische Eigenschaften von Chip-Widerständen auf verschiedenen Polymersubstraten präsentiert. Weiterhin werden Ergebnisse gezeigt, bei denen Chip-Widerstände in Bereichen mit unterschiedlicher lokaler Verformung platziert wurden, um das Schädigungsverhalten der Baugruppen nach der Umformung zu analysieren.

Ebenso wird das mechanische Verhalten solcher Komponenten während des Spritzgießens untersucht. Um unterschiedliche durch die Kunststoffschmelze verursachte Spannungsszenarien zu betrachten, werden elektronische Komponenten systematisch zur Fließrichtung der Schmelze an verschiedenen Positionen angeordnet.

Zum Abschluss wird ein Funktionsdemonstrator vorgestellt, der die praktische Anwendung der im Projekt erlangten Erkenntnisse verdeutlicht und die Machbarkeit der Technologie veranschaulicht. Die im Vortrag präsentierten Ergebnisse zeigen sowohl die Möglichkeiten als auch die Herausforderungen der Herstellung von 3D-Mechatronikbaugruppen mittels Druck-, Umform- und Spritztechnologien auf und bieten Ansatzpunkte für zukünftige Entwicklungen in diesem Bereich.

Dr. Rolf Baltes promovierte 2013 an der Universität Saarbrücken im Bereich Mechatronik. Seine Promotion in Elektrotechnik mit dem Schwerpunkt Computational Electromagnetics schloss er 2018 am Institut für Elektromagnetische Theorie der Universität des Saarlandes ab. 2019 wechselte er zu Hensoldt, einem deutschen Technologieführer für Verteidigungselektronik, als RF Design Engineer. Sein Schwerpunkt lag auf der Entwicklung neuer zukunftsweisender Anwendungen für den aufstrebenden Bereich der additiv gefertigten Elektronik (AME). Im Jahr 2021 gründeten Hensoldt und Nano Dimension, ein führender Hersteller von AME-Druckern, das Joint Venture J.A.M.E.S. mit dem Ziel, die AME-Technologie voranzutreiben und ihre Zugänglichkeit für den gesamten Markt zu erhöhen. Rolf Baltes war von Anfang an Teil des J.A.M.E.S-Teams und konzentriert sich auf die Entwicklung und Realisierung neuer Anwendungen der AME-Technologie.

Introduction to 3D Printed electronics

Ziel dieser Präsentation ist es, eine kurze Einführung in die AME-Technologie (Additively Manufactured Electronics) zu geben. Das Aufkommen von 3D-Druckern, die in der Lage sind, gleichzeitig leitende und nichtleitende Materialien zu verarbeiten, bietet das Potenzial, die Art und Weise der Entwicklung von Elektronik vollständig zu verändern. Während die klassische Herstellungsmethode von PCBs (Printed Circuit Boards) zu immensen Designeinschränkungen führte, bietet AME wesentlich mehr Freiheit bei der Gestaltung elektronischer Strukturen. Der Vortrag wird die Vorteile aufzeigen, die sich aus diesem neuen Design-Paradigma ergeben, aber auch die Herausforderungen, denen sich diese neue Technologie noch stellen muss. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf dem Designprozess und den Auswirkungen, die sich aus diesen neuen Designmöglichkeiten ergeben.

Michael Schleicher hat 1991 als "Leiterplattenkonstrukteur" seine ersten Layouts auf PC-basierenden Systemen erstellt. Als Absolvent der Fachschule für Leiterplattentechnik arbeitet er in unterschiedlichen Unternehmen im Bereich Leiterplattenlayout, Baugruppendesign. Zuletzt, seit 2008, für die Semikron Elektronik GmbH, einen Hersteller von Bauelementen und Systemen für Leistungselektronik aus Nürnberg. Für zwei seiner Designlösungen wurde er 2002 mit dem Preis "Most Challenging High Speed Design" und 2012 mit dem FED PCB Design Award in der Kategorie "High Power" ausgezeichnet. Im FED ist er Vorstand für den Bereich Normen und Richtlinien verantwortlich und ist Mitglied in nationalen und internationalen Komitees.

Abstract AK 3D

Additive Fertigungsverfahren sind heute in der Mitte der Industrie angekommen. In einigen Industriezweigen ist der "Hype Cycle" in die Produktivität übergegangen. Die ersten Unternehmen haben "Digital Warehouses" eingerichtet. Das Prinzip des Digitaldrucks ermöglicht die Realisierung von "System in Package" (SiP) mit höherer Variantenvielfalt im Vergleich zu bisherigen Technologien.

Die derzeit bekannten Fertigungsverfahren für Additive Manufacturing (AM) sind in Normungsgremien beschrieben. Die Kombinationsmöglichkeiten der Verfahren sind vielfältig, was unübersichtlich erscheint. Aus Sicht der Elektronikfertigung kann eine Klassifizierung helfen, die für komplexe AME-Projekte erforderlichen Prozesse, Werkzeuge und Materialien zu identifizieren.

Das Ziel einer Klassifizierung sollte es sein, Anwender, Designer, Hard- und Softwarehersteller dabei zu unterstützen, die Vorteile der Technologie zu nutzen.  Ein Nebeneffekt kann die Optimierung von Prozessen oder die Identifizierung von Lücken im Arbeitsablauf sein, um diese zu schließen. Der FED Arbeitskreis 3D Elektronik hat in früheren Diskussionen die Klassifizierung mit Instituten und Industriepartnern abgestimmt. Mit der aktuellen Präsentation möchte der Arbeitskreis diese Klassifizierung erstmals im FED veröffentlichen.

Der FED Arbeitskreis 3D-Elektronik bereitet das Wissen zu diesem neuen Verfahren für seine Mitglieder und interessierte Fachleute auf.

Dr. Martin Hedges, Managing Director
"Abschluss als BSc (Materialwissenschaft) an der Universität Manchester (UK) im Jahr 1987.
Er promovierte 1990 in Materialwissenschaften an der UMIST (UK).

Martin gründete Neotech in Nürnberg im Jahr 2001, um additive Fertigungsverfahren mit Schwerpunkt auf gedruckter Elektronik zu entwickeln. Seit 2009 leistet das Unternehmen Pionierarbeit bei der Entwicklung von 3D-gedruckter Elektronik."

Scalable 3D Printed Electronics - High Volume to “Fully Additive”

Dieser Vortrag gibt einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik bei der Herstellung von mechatronischen 3D-Systemen mit Hilfe der additiven Fertigung (AM) und stellt Entwicklungen zur Skalierung der Prozesse in allen Phasen vor, vom einmaligen Prototyping bis zur Großserienfertigung.

Rekonfigurierbare Arrays von strukturellen und elektronischen Druck-, Vor- und Nachbearbeitungstechniken werden mit SMD-Technologien kombiniert, um eine digital gesteuerte 3D-Elektronikfertigung zu ermöglichen. Die sich daraus ergebenden flexiblen Prozessketten können leicht rekonfiguriert werden, um schnelle Änderungen des Produkttyps zu bewältigen und gleichzeitig die Fähigkeit zur Skalierung bis hin zur Großserienfertigung beizubehalten. Die Auswahl der am besten geeigneten Druck-, Vor- und Nachbearbeitungsmethoden und die sich daraus ergebenden Auswirkungen auf Prozessgeschwindigkeit und Kosten werden erörtert.

Es wird ein kurzer Überblick über aktuelle Anwendungen gegeben, die 3D-Elektronikschaltungen, Antennen-, Sensor- und Heizungsmuster umfassen, sowie ein Update über den Fortschritt bei der First Time Right-Fertigung von komplexen Geräten.

Jewgeni Roudenko

• Masterstudium Applied Research in Engineering Sciences Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm
• Vertiefungsrichtung - New Materials, Nano- and Production Engineering
• Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm
• Projektbearbeitung ZIM-Projekt:
• Photonischer Energieeintrag für die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) auf flexiblen Low-Cost Schaltungsträgern für die flexible hybride Elektronik (Photo-AVT)
• Projektbearbeitung IGF-Projekt:
• Additive Fertigung für die Integration von Sensorik in mechatronische Systeme - (PrESens)

Gedruckte resistive Sensorik auf 2D- und 3D-Objekten

Sensoren unterschiedlichster Ausprägung werden für industrielle Bereiche eingesetzt, um beispielsweise Temperatur oder mechanische Belastungen, in elektrische Signale umzuwandeln. Die daraus gewonnenen Daten können zur Bauteilüberwachung verwertet werden. Die Integration von resistiver Sensorik in industrielle Baugruppen wie etwa Getriebe, Maschinenelemente, Tragstrukturen etc., ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung von mechanischen oder thermischen Belastungen während des Betriebs. Derzeit werden zugekaufte Sensorsysteme vorwiegend als eigenständige, diskrete Bauelemente bzw. -gruppen in mechatronischen Systemen eingebaut und anschließend elektrisch kontaktiert. Dabei werden z.B. Kräfte und Drehmomente durch aufwändig applizierte Folien-Dehnmessstreifen (Folien-DMS) oder Temperatursensoren gemessen.

An der Technischen Hochschule Nürnberg wurde im IGF-Forschungsprojekt „PrESens“ der Einsatz innovativer Druckverfahren und Prozesse zur Erzeugung funktionaler Strukturen auf einzelnen Bauteilen untersucht. In diesem Vortrag wird die Herstellung resistiver Sensorik am Messort auf 2D- sowie 3D-Objekten vorgestellt und deren Funktion als Dehnungs- oder Temperatursensoren an ausgewählten Beispielen aufgezeigt.

Dr. Pavel Kulha: leitender Forscher und Projektleiter bei PRO. Er erhielt seinen Doktortitel in Elektronik und Mikroelektronik an der Tschechischen Technischen Universität in Prag. Seit 2018 ist er bei PROFACTOR GMBH tätig. Seine Forschungsaktivitäten umfassen das Design, die Herstellung und Charakterisierung von gedruckten und flexiblen elektronischen Systemen und Sensoren. Bei PROFACTOR ist er leitender Wissenschaftler in der Gruppe für gedruckte Elektronik und auf dem Gebiet der hybriden Integration und der additiven Fertigungstechnologien auf Basis des Tintenstrahldrucks tätig und verfügt über langjährige Erfahrung im Management von Forschungsprojekten.

TINKER EU – Sensor package fabrication via additive manufacturing for automotive sector 

Autonomes Fahren und selbstfahrende Autos sind wichtige Anwendungsfälle für Mikroelektronik und Sensoren, vor allem RADAR- und LiDAR-Sensoren. Das öffentliche Bewusstsein und der industrielle Bedarf an einer weiteren Miniaturisierung von RADAR- und LiDAR-Sensorpaketen sind die Hauptantriebskräfte für die laufenden Bemühungen im Automobilsektor, diese Sensoren in die Fahrzeugkarosserie zu integrieren, z. B. in die Stoßstangen, Kühlergrills und Außenlampen, anstatt sie an der Außenseite des Fahrzeugs zu befestigen. Die Sicherheit des Fahrers und anderer Personen ist das wichtigste Kriterium im Automobilsektor. Daher werden hochwertige und leistungsstarke RADAR- und LiDAR-Systeme für fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) sowie für autonome Fahrzeuge benötigt.

Das Projekt TINKER soll einen neuen zuverlässigen, präzisen, funktionalen, kosten- und ressourceneffizienten Weg für die Herstellung von RADAR- und LiDAR-Sensorpaketen entwickeln und verfolgt dabei zwei Hauptziele: erstens die Schaffung einer Plattform auf der Grundlage der additiven Fertigung und zweitens die Herstellung von RADAR- und LiDAR-Sensorpaketen als Anwendungsfälle. Der Ansatz von TINKER besteht darin, Schlüsseltechnologien, insbesondere den Tintenstrahldruck und die Nanoimprint-Lithographie (NIL), als bahnbrechende und flexible Fertigungstechniken für die Montage von Mikroteilen einzusetzen. Die vorgeschlagene TINKER-Pilotanlage wird aufgrund ihres modularen Charakters ein hohes Maß an Flexibilität und Zuverlässigkeit bieten.

Valentin Storz ist der General Manager von Nano Dimension EMEA. Herr Storz verfügt über mehr als 15 Jahre umfangreiche Erfahrung im Aufbau von Geschäften für innovative Technologieunternehmen. Vor seiner Tätigkeit bei Nano Dimension hat Herr Storz in verschiedenen Führungspositionen in der Additiven Fertigungsindustrie für MakerBot/Stratasys gearbeitet und als General Manager für MakerBot EMEA fungiert. Früher in seiner Karriere arbeitete er als Unternehmensberater für Strategie, Wachstum, Restrukturierung und Innovation in verschiedenen Branchen. Herr Storz hat einen M.Sc. Diplom in Betriebswirtschaftslehre und Maschinenbau von der Universität Stuttgart, Deutschland und der Universität Luleå, Schweden.

Additive Fertigung von Elektronik (AME) - Status, Perspektiven und Anwendungen 

Bei der additiven Fertigung von Elektronik werden elektronische Bauteile und Schaltungen durch schichtweises Auftragen von Materialien wie Leiterbahnen, Lötstellen und elektronischen Komponenten produziert. Dieses Verfahren ermöglicht eine saubere, schnelle, flexible und effiziente Herstellung von Elektronikbauteilen im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden. Die Anwendungen der AME-Technologie sind vielfältig und reichen von der Prototypen- und Einzelstückherstellung bis hin zur Produktion von Serienprodukten. Sie umfassen die Herstellung von Sensoren, Antennen, gedruckten 3D-Schaltkreisen, Wearables, medizinischen Geräten, Robotern und elektronischen Baugruppen für die Luft- und Raumfahrt. Ein weiterer Vorteil der additiven Fertigung von Elektronik besteht darin, dass sie die Realisierung komplexer und innovativer Designs ermöglicht, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht möglich wären. Dadurch können neue Produkte geschaffen und bestehende Produkte durch die Integration von Funktionen und Komponenten verbessert werden, die auf herkömmlichem Weg nicht realisierbar wären.

AME hat das Potenzial die Fertigung von Leiterplatten und elektronischen Bauteilen und somit die Wertschöpfung wieder nach Europa zurück zu bringen. In den letzten beiden Jahren hat sich die AME-Technologie rasant.

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