5 Wege, wie 3D-Druck die Elektronikindustrie verändern kann

3D-Druck und Elektronik scheinen immer noch eine Neuheit zu sein, aber die Technologie wird die Branche stark verändern.

Obwohl die Technologie immer noch hauptsächlich als Prototyping-Tool verwendet wird, können die Vorteile des 3D-Drucks – schnellere Markteinführungszeit, größere Designfreiheit und Anpassung – von der Elektronikindustrie genutzt werden.

Wie funktioniert 3D-Druck mit Elektronik?

Beim 3D-Druck von Elektronik kommt typischerweise die Materialstrahltechnologie zum Einsatz. Bei diesem Verfahren werden leitfähige und isolierende Tinten in Linien von wenigen Mikrometern auf die Druckoberfläche gesprüht. Anschließend wird UV-Licht angewendet, um die Tinten zu verfestigen.

Ein bemerkenswertes Merkmal des Material Jetting ist, dass es den Multimaterial-3D-Druck erleichtert. Für die Elektronikindustrie bedeutet dies, dass funktionale Schaltungen und Gehäuse gleichzeitig in einem Druckprozess hergestellt werden können, was den Montageprozess erheblich vereinfacht.

5 Vorteile von 3D-Druckelektronik

1. Eigenes Prototyping

In einer so wettbewerbsintensiven Branche wie der Elektronik ist die Nachfrage nach kleineren, dünneren Geräten mit verbesserter Funktionalität unvermeidlich.

Die Entwicklung eines Prototyps einer gedruckten Leiterplatte (PCB) – dem Kern jedes elektronischen Geräts – und anderer elektronischer Teile ist jedoch oft eine Herausforderung, und diese Aufgabe wird sehr oft ausgelagert. Dies führt in der Regel zu verlängerten Vorlaufzeiten, und Outsourcing kann in diesem Zusammenhang auch mit Bedenken hinsichtlich des geistigen Eigentums verbunden sein. Das Aufkommen des 3D-Drucks bedeutet jedoch, dass die Herstellung von Prototypen von Schaltungen und Leiterplatten intern verlagert werden kann, was es Elektronikherstellern ermöglicht, die Beschaffungskosten zu senken und gleichzeitig alle Bedenken hinsichtlich einer Verletzung des geistigen Eigentums auszuräumen.

2. Schnellere Markteinführung

Die interne Herstellung von Prototypen kann die Effizienz während der Produktentwicklungsphase steigern. Der 3D-Druck ermöglicht einen schnelleren Turnaround von Designiterationen und beschleunigt die Designvalidierungsphase. Durch die viel schnellere Entwicklung von Produkten gewinnen Elektronikhersteller einen Wettbewerbsvorteil und erreichen eine flexiblere Fertigung.

3. Designflexibilität

3D-Druck eröffnet Möglichkeiten, komplexe Formen und Komponenten zu entwerfen. So können beispielsweise Multilayer-Schaltungen jetzt in 3D auf nicht ebene, flexible Oberflächen gedruckt werden, was mit herkömmlichen Fertigungstechniken nicht möglich wäre. Der 3D-Druck ermöglicht es Ingenieuren auch, auf Funktionalität statt Herstellbarkeit zu entwerfen, was bedeutet, dass komplexe Strukturen mit eingebetteter Elektronik, gekapselten Sensoren und Antennen leichter hergestellt werden können.

4. Anpassung

3D-Druck erweitert die Möglichkeiten zur Herstellung kundenspezifischer Elektronik. Ingenieure der University of Minnesota zum Beispiel erforschen das Potenzial von maßgeschneiderten Sensoren, die direkt in 3D auf die Haut gedruckt werden. Auch wenn die Individualisierung elektromechanischer Teile mittels 3D-Druck noch in den Kinderschuhen steckt, ist maßgeschneiderte Unterhaltungselektronik bereits Realität. 3D-Druck kann verwendet werden, um personalisierte elektronische Gehäuse, USB-Stick-Hüllen und Tastaturen zu erstellen.

5. Vereinfachte Lieferkette

Hersteller, die ihre Elektronikproduktion mithilfe des 3D-Drucks ins eigene Haus verlagern, können erhebliche Auswirkungen auf die Lieferkette haben. Die interne Fertigung hat den Vorteil einer vereinfachten oder sogar reduzierten Auslagerung, wodurch die damit verbundenen Kosten für Lieferung und Versand reduziert werden. Der 3D-Druck von Elektronik senkt auch die Lager- und Vertriebskosten dank On-Demand-Fertigung und der Möglichkeit, ein digitales Inventar zu erstellen.

Welche Systeme sind verfügbar?

DragonFly Pro-System von Nano Dimension

Nano Dimension ist spezialisiert auf 3D-gedruckte mehrlagige PCB-Prototypen auf verschiedenen Substraten (starr und flexibel). Sein DragonFly Pro System 3D-Drucker basiert auf der Material Jetting-Technologie und ist in der Lage, Leiterplatten mit verschiedenen Funktionen wie Verbindungselementen zu drucken. Das System von Nano Dimension zeichnet sich durch den Multimaterial-3D-Druck aus, bei dem gleichzeitig proprietäre leitfähige und dielektrische Tinten verwendet werden, um funktionale Schaltungen und Antennen herzustellen.

Aerosol Jet-Technologie von Optomec

Optomec ist ein weiteres Unternehmen, das das Spiel für D-gedruckte Elektronik verändert. Das US-Unternehmen hat seine Aerosol Jet-Technologie für den 3D-Druck von Elektronik im Mikrometerbereich entwickelt. Optomec bietet eine Reihe von Aerosol Jet-Systemen an, mit denen flexible Leiterplatten, konforme Antennen, Sensoren und vergossene miteinander verbundene Geräte hergestellt werden können. Das bemerkenswerte Merkmal der Aerosol Jet 3D-Drucker ist, dass sie mit bereits im Handel erhältlichen Materialien kompatibel sind.

Neotech-AMT
Das in Deutschland ansässige Unternehmen Neotech AMT ist auf den hybriden 3D-Druck von Elektronik spezialisiert. Sein System, der PJ 15X, kombiniert eine CNC-Bewegungsplattform und 3D-fähige Druckköpfe, um Leiter, Halbleiter, Heizmuster, Widerstände und mehr herzustellen. Die Maschine ist für Anwendungen in der Produktentwicklung und im Rapid Prototyping konzipiert.

BotFactory PCB-3D-Drucker
Mit der BotFactory-Reihe von 3D-Druckern ist jetzt ein kostengünstiges Prototyping von Leiterplatten möglich. Die Systeme verwenden eine Inkjet-Technologie, um kleine Tröpfchen aus leitfähigen und isolierenden Tinten auf verschiedene Substrate aufzubringen. Die Desktop-Systeme sind heute eine der günstigsten Optionen für den 3D-Druck von elektronischen Bauteilen auf dem Markt.

Nach vorne schauen

Prototyping ist nach wie vor die am häufigsten verwendete Anwendung des 3D-Drucks in der Elektronikindustrie. Mit Blick auf die Zukunft könnte der 3D-Druck jedoch zu einer praktikablen Technik für die Herstellung von tragbaren oder eingebetteten Sensoren für die Echtzeit-Gesundheitsüberwachung werden. Darüber hinaus könnten 3D-gedruckte Sensoren in Linsen eingebaut werden, um Augmented-Reality-Anwendungen zu ermöglichen, während 3D-gedruckte eingebettete Elektronik in Objekten von Smartphones bis hin zu Autos verwendet werden könnte, um Funktionalität hinzuzufügen und sie gleichzeitig leichter zu machen.

Bevor diese Anwendungen jedoch an Bedeutung gewinnen, müssen einige Herausforderungen bewältigt werden. Zunächst muss eine Design-Software entwickelt werden, die definieren kann, wie elektronische Komponenten innerhalb des Teils selbst gedruckt werden können. Derzeit steckt eine solche Design-Software noch in den Kinderschuhen, obwohl dies in den nächsten Jahren voraussichtlich noch weiterentwickelt wird. Eine weitere Herausforderung ist die Entwicklung geeigneter Materialien für den 3D-Druck im Nanobereich, da viele elektronische Bauteile im Nanometerbereich sind.

Trotz dieser Herausforderungen hat die 3D-Druckelektronik jedoch alle Chancen, den gleichen Weg wie die frühen Anwender dieser Technologie wie die Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie einzuschlagen. Wenn die Technologie ausgereift ist und neue Akteure auf den Markt kommen, erwarten wir, dass sich der 3D-Druck von Elektronik irgendwann von einem reinen Prototyping-Tool zur direkten Endproduktion verlagern könnte.