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1
Integration von Elektronik im 3D-Druck
Yannic Köster6.7.2016
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2
Gliederung
● Allgemeines
● Materialien
● Verfahren
– FDM
– Ink Jetting
– Aerosol Jetting
– FEAM
– SLM
● 3-Dimensionale Leitungen
● Vergleich mit herkömmlicher Produktion
● Endbenutzer-
Erwerblichkeit
● Quellen
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3
Allgemeines
● Integration von Elektronik behandelt:– Integration von Leiterbahnen im Objektdruck
– Einbau von elektronischen Bauteilen
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4
Materialien
● Kohlenstoff basierte Tinte– Nicht so leitfähig
– Vergleichsweise Billig
● Metall basierte Tinte
– Gut leitfähig
– Vergleichsweise Teuer
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Materialien - Beispiele
112-48 Conductive Ink– Füllmasse:
Kohlenstoff
– Spezifischer Widerstand(Ω/cm):
0.05
– Flächenwiederstand (Ω/mm2): 20
– Viskosität (cps): 15,000 -20,000
125-15 extremely conductive Ink– Füllmasse: Silber
(>84% Anteil)
– Spezifischer Widerstand(Ω/cm):
0.00003
– Flächenwiederstand (Ω/mm2): 0,010
– Viskosität (cps): 29,000
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Material
Leitendes FilamentConductive Graphene Filament ● Spezifischer
Widerstand(Ω/cm): 0,6
Quelle:http://www.blackmagic3d.com/Conductive-p/grphn-175.htm
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FDM - Aufbau des Druckers
Quelle: https://tams.informatik.uni-hamburg.de/research/3d-printing/conductive_printing/image/cnc-mill-labeled.png
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FDM - Druck von Leiterbahnen
● Fragmente > 25 μm breit● Schreibgeschwindigkeit:
max 300 mm/s
● Haft zwischen Leitung und 3D-Objekt muss standhaft sein
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FDM - SMD's
● Identifikation von Bauteilen– Kamera erkennt das SMD Bauteil
– Kamera erkennt Pole nicht
● Einbau– Kamera erkennt Massezentrum (CoM)
– Vakuumdüse saugt SMD Bauteil am CoM an
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FDM - SMD's
● Probleme– Leitung trocknet, SMD muss schnell platziert
werden
– Stabilität / Verbindungsstärke leidet unter Wartezeit
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Ink Jetting
● Extrudationsmenge :0.3 mm3/s
● Fragmente > 20 μm
● Nicht stark Leitfähig
Quelle: Perez, Williams - 2013 - Combining Additive Manufacturing and Direct Write for Integrated Electronics – A Review
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Aerosol Jetting
● Extrudationsmenge : 0.03 mm3/s● Sehr genau 10 μm Fragmente● Dicke >2 μm
● Nicht stark Leitfähig
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Verfahren Kleinste Fragmente
Extrudations-menge
Leitfähigkeit
FDM ≥ 25 μm Variiert Variiert
Ink Jetting ≥ 20 μm 0,3mm3/s Niedrig
Aerosol Jetting ≥ 10 μm 0,03mm3/s Niedirg
Vergleich tintenbasierter Druck
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Fiber Encapsulation Additive Manufacturing (FEAM)
● Verbindet Faser mit (leitendem) Filament.
● Filament umschließt Faser
Quelle:ACTIVE DEVICE FABRICATION USING FIBER ENCAPSULATION - ADDITIVE MANUFACTURING
M. Saari, M. Galla, B. Cox, E. Richer, P. Krueger, and A. Cohen
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SLM
● Metalllegierungen als Pulver
● Pulver wird mit Laser schichtweise verbunden
● Stabilität vergleichbar mit Metallguss
● Materialien: Metalllegierungen
Alluminium,Edelstahl etc.
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3-Dimensionale Leitungen
Quelle:De Nava et al. - 2008 - Three-Dimensional Off-Axis Component Placement and Routing for Electronics Integration using Solid Freeform F
Quelle: Bok Yeop Ahn,[...] - Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks
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17Quelle:De Nava et al. - 2008 - Three-Dimensional Off-Axis Component Placement and Routing for Electronics Integration using Solid Freeform F
3-Dimensionale Leitungen
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Vergleich mit herkömmlicher Produktion
● 3D Druck– Vertikale Leitungen
– "Zerbrechlicher"
– Kosteneffizienter bei Einzelproduktion
– Schnelle Produktion
bei Einzelproduktion
● Herkömmliche Produktion– Zuverlässiger
– Kosteneffizienter in Masse
– Zeitaufweniger bei Einzelproduktion
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Endbenutzererwerblichkeit
● Erster öffentlich erwerblicher Elektronik- Drucker:
Voxel8's 3D Electronics Printer– Preis:8999$ = ~7955€
– Veröffentlichung: 2. Quatal 2016
Neotech Drucker– Keine Preisangabe
● Eigenbau– Hardware ~1000€ (variiert)
– Opensource Software
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Quellen
● Papers– De Nava et al. - 2008 - Three-Dimensional Off-Axis Component
Placement and Routing for Electronics Integration using Solid Freeform F
– Florens Wasserfall Embedding of SMD populated circuits into FDM printed objects
– Bok Yeop Ahn,[...] - Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks
(Siehe Webseite für alle Authoren)
– Perez, Williams - 2013 - Combining Additive Manufacturing and Direct Write for Integrated Electronics – A Review
– Macdonald et al. - 2014 - 3D Printing for the Rapid Prototyping of Structural Electronics
– ACTIVE DEVICE FABRICATION USING FIBER ENCAPSULATION - ADDITIVE MANUFACTURING - M. Saari, M. Galla, B. Cox, E. Richer, P. Krueger, and A. Cohen
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Quellen 2
● Websiten– http://www.voxel8.co/
– http://www.neotech-amt.com/
– http://www.jove.com/video/3189/planar-and-three-dimensional-printing-of-conductive-inks
– http://www.creativematerials.com/products/
– https://3dprint.com/53785/feam-3d-print-wires/
– https://www.rapidobject.com/de/Wissenswertes/3D-Druckverfahren/Selektives-Laserschmelzen-SLM_1247.html
– http://graphenelab.com/blackmagic3d/Filaments/Conductive_Graphene_Filament_216x279.pdf
Alle Websiten der Versionen vom 4.6.2016 um 11:05