CH719575A2 - Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Formkörpers. - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Formkörpers mit metallisierten Bereichen umfasst folgende Schritte: Bereitstellen eines Photopolymers (PP) enthaltend Additive (A), welche in einem Laser-Direktstrukturierungsverfahren zum Herstellen der metallisierten Bereiche (M) verwendbar sind; Additive Fertigung des dreidimensionalen Formkörpers (F) basierend auf einem Lithografie-Verfahren mit einer Prozessheizung zur Erwärmung des Photopolymers (PP); Durchführung des Laser-Direktstrukturierungsverfahrens bei dem additiv gefertigten dreidimensionalen Formkörper (F); und Metallisierung der zu metallisierenden Bereiche (M) des dreidimensionalen Formkörpers (F).

Description

Gebiet der Erfindung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Formkörpers, sowie einen dreidimensionalen Formkörper.

Hintergrund der Erfindung

[0002] Dreidimensionale Formkörper, sei es aus Metall, Kunststoff, oder Keramik, können mittels 3D-Drucks hergestellt werden, welches Fertigungsverfahren auch als additive Fertigung oder als generative Fertigung bezeichnet wird. Hierbei wird ein Ausgangsmaterial schichtweise zu einem Formkörper aufgebaut. Beispielsweise kann ein CAD-Modell des zu erstellenden Formkörpers als Grundlage für die spätere Ansteuerung des 3D-Druckers dienen.

[0003] Gegenstück zu additiven Fertigungsverfahren bilden subtraktive Fertigungsverfahren oder Spritzgussverfahren. Spritzgussverfahren können auch zur Herstellung von Schaltungsträgern verwendet werden. In einem Spritzgussverfahren hergestellte dreidimensionale Schaltungsträger werden als Moulded Interconnect Devices (MID) bezeichnet. Hierbei wird in einem ersten Schritt ein Formteil in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzgussverfahren hergestellt. Das Spritzgussmaterial ist hierbei ein Kunststoff. Sollen nachfolgend metallisierte Bereiche auf dem Formteil mittels der sogenannten Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) hergestellt werden, ist der Kunststoff mit für den LDS-Prozess nötigen Additiven versetzt. Anschließend werden die gewünschten Bereiche mittels eines Lasers aktiviert und strukturiert. Hierzu wird ein Laserstrahl auf das Formteil gerichtet. Durch die Laserenergie des Lasers erfolgt eine Aktivierung des Additivs im Kunststoffmaterial. Hierdurch werden metallische Keime erzeugt. Treten nachfolgend diese metallischen Keime mit Metall wie etwa Kupfer in Kontakt, entsteht hierdurch eine Metallisierung der gewünschten Bereiche. Damit wird ein additiver Leiterbahnaufbau erzielt. Anschließend kann das spritzgegossene und metallisierte Formteil mit den gewünschten Komponenten bestückt werden, um ein bestücktes Moulded Interconnect Device zu erhalten.

[0004] In der additiven Fertigung werden je nach Werkstoff / Ausgangsmaterial unterschiedliche Verfahren angewandt. Das sogenannte Fused Deposition Modeling (FDM) kann dabei einen Kunststoff additiv verarbeiten, wie er auch im Spritzgussverfahren zur Herstellung von MIDs verwendet wird, beispielsweise einen ABS-Kunststoff. Hierbei wird der thermoplastische ABS-Kunststoff extrudiert, an gewünschten Rasterpunkten erwärmt und dann durch Abkühlen ausgehärtet, wodurch eine Schicht des dreidimensionalen Formkörpers erzeugt wird. Das Fused Deposition Modeling verfügt jedoch nicht über eine ausreichende Prozessgenauigkeit wie sie für die Herstellung von Schaltungsträgern gefordert ist. Dies liegt im Extrudierverfahren zum Aufbringen des Kunststoffs begründet.

[0005] Dieses führt zu einer unregelmässigen Oberfläche, welche für kleinste metallisierte Strukturen z.B. im Bereich von < 100 µm, wie sie für die Fertigung von hochintegrierten Schaltungsträgern erforderlich sind, keine ausreichende Reproduzierbarkeit gewährleistet. Zwar mag eine kleinere Düse des Extruders für eine gleichmässigere Oberfläche des extrudierten Materials sorgen. Abgesehen davon, dass aber auch eine solche Massnahme noch immer nicht die erforderliche Prozessgenauigkeit liefert, verlangsamt diese Massnahme auch die Prozessdauer erheblich, da für das Generieren einer Schicht nun deutlich mehr Extruder-Spuren erforderlich sind. Insofern eignet sich das FDM-Verfahren, egal in welcher Ausbildung, nicht zum Herstellen von dreidimensionalen Schaltungsträgern als Alternative zur MID-Technologie.

[0006] Ein weiteres zu den additiven Fertigungsverfahren gehöriges Verfahren ist die Stereolithographie (SLA), bei der ein Kunststoff in flüssiger Phase dem Schichtaufbau dient. Der bis anhin erstellte partielle Formkörper wird zum Erstellen einer weiteren Schicht in dem Kunststoff-Bad abgesenkt oder zum Kunststoff-Bad zugeführt. Ein Laser bestrahlt diejenigen Rasterpunkte, die die weitere Schicht bilden sollen, und härtet damit den Kunststoff aus. Allerdings haben Versuche der Anmelderin gezeigt, dass sich das herkömmliche SLA-Verfahren nicht für den Zusatz von Additiven eignet, wie sie für die Anwendung der Laser-Direkt-Strukturierung erforderlich sind. Die im SLA-Verfahren verwendeten Kunststoffe sind dabei nicht viskos genug, als dass sich die zugesetzten Additive nicht aufgrund der Schwerkraft absetzen würden. Dies kann bei der additiven Fertigung aber zu Bereichen führen, welche nur eine geringe Konzentration von Additiven aufweisen. In diesen Bereichen können in der Laser-Direkt-Strukturierung dann nicht ausreichend Metallisierungskeime gebildet werden, sodass eine durchgängige Metallisierung nicht gewährleistet ist.

Darstellung der Erfindung

[0007] Es ist insofern Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Schaltungsträgern vorzusehen, welches die erforderliche Prozessgenauigkeit einhält und die Metallisierung von Bereichen oder Leiterbahnen mittels Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) sicherstellt.

[0008] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

[0009] Somit wird ein Verfahren zur lithographiebasierten additiven Fertigung von dreidimensionalen Formkörpern vorgeschlagen, welche Formkörper dreidimensionale Schaltungsträger im Sinne von Moulded Interconnect Devices (MID) repräsentieren, welche allerdings nicht spritzgegossen sondern additiv gefertigt sind. Das verwendete stereo-lithographiebasierte additive Fertigungsverfahren (SLA) bedient sich dabei einer Prozessheizung. Es wird deshalb auch Hot-Lithographie-Verfahren genannt. Um das Hot-Lithography-Verfahren kompatibel mit dem LDS Verfahren zu machen, werden einem für das SLA-Verfahren geeigneten Photopolymer Additive hinzugefügt, welche eine Laser-Direkt-Strukturierung erlauben.

[0010] Die Verfahrensschritte vor dem Laserstrukturierungsprozess sind mit diesem Verfahren ausreichend genau und prozesssicher und reproduzierbar. Das additiv erstellte Formteil weist eine ausreichende Schichtauflösung und Oberflächengüte auf. Gemäß der Erfindung wird also vorgeschlagen, statt des Fusion Deposition Modelings für die Verfahrensschritte vor dem Laserstrukturierungsprozess ein Hot-Lithography-Verfahren zu verwenden, d. h. ein lithographiebasiertes Verfahren mit einer Prozessheizung. Die Prozessheizung dient dazu, das für die additive Erstellung des dreidimensionalen Formkörpers verwendete thermoplastische Photopolymer auf eine Zieltemperatur zu erwärmen, die eine für den Lithographie-Prozess ausreichend geringe, zweite Viskosität V2, und damit eine gleichmässige Benetzung der zuvor erstellten Schicht durch das Photopolymer für das SLA-Verfahren sicherstellt., Durch die Erwärmung des in seiner ersten, hohen Viskosität V1 vorliegenden photoaktiven Ausgangsmaterials, wird seine Viskosität verringert auf die zweite Viskosität V2, die geringer ist als die erste Viskosität V1, und die insbesondere eine flüssige Phase des Photopolymers darstellt, wohingegen die erste Viskosität eine zähflüssige Phase des Photopolymers darstellt. Vorzugsweise ist die zweite Viskosität V2 kleiner als 10<3>mPa*s, wohingegen die erste Viskosität V1 grösser oder gleich 10<3>mPa*s ist.

[0011] Vorzugsweise weist das Photopolymer die erste, hohe Viskosität V1 bei Raumtemperatur auf. Vorzugsweise erwärmt die Prozessheizung das Photopolymer auf eine Temperatur grösser als Raumtemperatur. Vorzugsweise ist die Zieltemperatur, die das Photopolymer aufgrund der Erwärmung erreicht, grösser als 40 °C, vorzugsweise grösser als 50 °C oder 60 °C.

[0012] Zudem sind Photopolymere im hochviskosen Zustand typischerweise niedrig chemisch reaktiv, und erst im niederviskosen Zustand chemisch reaktiv. Gegenüber der Standard-Stereo-Lithographie können nun auch hitzebeständigere Photopolymere verwendet werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn, wie vorgesehen, das erstellte Formteil als Schaltungsträger verwendet wird. Denn auf diesen Schaltungsträger werden üblicherweise Bauteile gelötet, unter Hitzeeinwirkung auch auf das Formteil.

[0013] Durch die Erwärmung des Photopolymers kurz vor der Aushärtung in der SLA-Fertigung kann das Photopolymer wiederum in seiner hochviskosen Form gelagert, transportiert und als Ausgangsmaterial bereitgestellt werden. Dies hohe Viskosität stellt das Beibehalten der gleichmässigen Verteilung und / oder gleichmässigen räumlichen Konzentration der für die Laser-Direkt-Strukturierung erforderlichen beigemengten Additive sicher, wenn die Additive einmal eingebracht und gleichmässig im Ausgangsmaterial verteilt sind. Damit wird aber auch die gleichmässige Verteilung und / oder gleichmässige räumliche Konzentration der Additive im niederviskosen Zustand kurz nach Erhitzung und damit bei der Belichtung / Aushärtung erzielt.

[0014] Gemäß der Erfindung wird also erreicht, dass sich die LDS-Additive in dem Harz (d. h. dem Photopolymer) nicht entmischen können. Damit kann ein sicherer LDS-Prozess mit einer homogonen Verteilung der Additive in dem Formkörper bzw. dem Bauteil erreicht werden.

[0015] Gemäß der Erfindung wird somit ein modifiziertes Stereo-Lithographie-Verfahren verwendet, um Photopolymere bzw. Harze, welche LDS-Additive aufweisen, in einer lithographiebasierten additiven Fertigung zu einem gewünschten dreidimensionalen Formkörper umzubauen. Damit können hochviskose Harze als Ausgangsmaterialien für den Schichtaufbau in generativen Verfahren verwendet werden, die wiederum ein entbindungsfreies Einbetten von LDS-Additiven ermöglichen. Die Konvertierung der hochviskosen Harze in für das SLA-Verfahren erforderliche niederviskose Harze durch Erwärmung erfolgt durch eine Prozessheizung, vorzugsweise zugehörig zu einem für die additive Fertigung vorgesehenen 3D-Druckers. Die Erwärmung erfolgt also vorzugsweise im Rahmen der Zufuhr des Harzes in den Bauraum des 3D-Druckers, oder im Rahmen der Zufuhr an denjenigen Ort im Bauraum, an dem das Harz in seiner dann flüssigen Phase in Kontakt mit der zuvor erstellten Schicht des bis dato partiell erstellten Formteils tritt. Damit ist eine Fertigung von MID-ähnlichen Formkörpern in einem speziellen Stereo-Lithographieverfahren [SLA], z.B. dem Hot-Lithography-Verfahren, möglich.

[0016] Vorzugsweise erfolgen die nachfolgenden Schritte in der additiven Fertigung des Formteils je Generation einer Schicht repetitiv: a) Erwärmen des im Zustand seiner ersten Viskosität V1 vorliegenden Photopolymers mittels der Prozessheizung; b) Bereitstellen des infolge der Erwärmung in seiner zweiten Viskosität V2 vorliegenden Photopolymers am Ort einer zuvor generierten Schicht des Formkörpers; c) Aushärten des bereitgestellten Photopolymers durch Belichtung mittels eines ersten Lasers zum Generieren einer neuen Schicht auf der zuvor generierten Schicht.

[0017] Vorzugsweise wiederholen sich die Schritte a) bis c) für jede zu erstellende Schicht. Vorzugsweise werden die Schritte a) bis c) allesamt im Bauraum durchgeführt. Allerdings kann die Prozessheizung in einer Ausführung auch ausserhalb des Bauraums liegen und das bereits erwärmte Harz dem Bauraum zugeführt werden, beispielsweise über eine Leitung. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Prozessheizung eine beheizbare Kartusche, welche das durch die Kartusche geführte Photopolymer erwärmt und in niedriger Viskosität V2 ausgibt. Die Kartusche kann im Bauraum angeordnet sein, oder ausserhalb des Bauraums. Der Bauraum ist dabei typischerweise definiert als derjenige Behälter, in dessen Volumen das Formteil additiv aufgebaut wird, vorzugsweise angeordnet auf einer beweglichen Plattform. Letztere kann gesteuert bewegt werden, insbesondere vertikal, um nach dem Aushärten einer Schicht diese in Kontakt zu bringen mit der flüssigen Phase des im Behälter befindlichen Photopolymers zum Erstellen der nächsten Schicht, oder um das partiell gefertigte Formteil im Kunststoff-Bad weiter abzusenken, sodass das Bad die zuletzt gehärtete Schicht überdeckt. Alle diese Varianten sollen unter den Ausdruck des „Bereitstellens des niederviskosen Materials am Ort der zuvor erstellten Schicht“ fallen; also insbesondere auch die Varianten: Zuführen des partiellen Formteil zum niederviskosen Material; Zuführen des niederviskosen Materials zum Formteil; Erwärmen der hochviskosen Materials am Ort der zuvor erstellten Schicht. Gemäss der letzten Variante kann also das Bereitstellen des niederviskosen Materials am Ort der zuvor erstellten Schicht auch das Bereitstellen des hochviskosen Ausgangsmaterials an diesem Ort und die Erwärmung an diesem Ort umfassen, etwa bei der Beheizung des gesamten Bauraums, oder bei ortsselektiver Beheizung dieses Ortes. Dabei kann die Prozessheizung konstant aktiv sein, oder pulsierend und zumindest zu den Zeiten aktiv, in denen das hochviskose Material in seinen niederviskosen Zustand konvertiert werden soll.

[0018] In einer anderen Weiterbildung ist die Prozessheizung ausgebildet zum Erwärmen des gesamten Bauraums entweder alleinig, oder in Verbindung mit einer separaten Heizung zum dezidierten Erwärmen des hochviskosen Materials. In erster Variante wird das hochviskose Harz in den Bauraum eingeführt und kontinuierlich während des Aufbaus der Schichten erwärmt. Auch in dieser Ausführung kann das Harz in hochviskoser Form gelagert und transportiert werden. Ist die vorzugsweise zum vollständigen Erstellen des Formteils ausreichenden Menge des hochviskosen Photopolymers in den Bauraum eingebracht, wird es dort kontinuierlich erhitzt, entweder solange bis alle Schichten des Formteils erstellt sind, oder solange das Material im Bauraum ist aufgebraucht ist.

[0019] In einer anderen Weiterbildung wird das Harz aber portionsweise entweder dem Bauraum oder dem o.g. Ort zugeführt, vorzugsweise als Portion für eine oder wenige (kleiner gleich fünf) Schichten. Dies verringert die Neigung der Additive, sich im niederviskosen Material im Bauraum abzusetzen aufgrund einer nur kurzen Verweildauer im niederviskosen Zustand.

[0020] In einer vorteilhaften Weiterbildung, insbesondere, wenn das Harz portionsweise erwärmt wird und/oder die Erwärmung durch eine separate Prozessheizung und/oder ausserhalb des Bauraums erfolgt, wird dennoch auch der Bauraum kontinuierlich geheizt während der additiven Fertigung in Bauraum. Es ist vorteilhaft, das bereits partiell durch Belichtung erstellte Formteil auf gleicher oder ähnlicher Temperatur (+/-20%) wie das bereitgestellte, niederviskose Harz zu halten. Dies vermeidet durch einen Temperaturgradienten induzierte mechanische Spannungen im Formteil.

[0021] Vorzugsweise wird das niederviskose Material / der niederviskose Photopolymer am Ort der neu aufzubauenden Schicht belichtet, vorzugsweise mittels eines Lasers, und dadurch ausgehärtet und verfestigt. Hierdurch entsteht eine weitere Schicht im Schichtaufbau des Formkörpers, mit einer räumlich im Wesentlichen gleichverteilten Konzentration der Additive für die spätere Laser-Direkt-Strukturierung.

[0022] Vorzugsweise erfolgt die Herstellung der Schichten, also die additive Fertigung, computergestützt, vorzugsweise vollautomatisiert in einem Bauraum eines entsprechenden 3D-Druckers, und bevorzugt durch eine entsprechend programmierte Steuerung des 3D-Druckers.

[0023] Hinsichtlich der Direkt-Laser-Strukturierung ist es bevorzugt, das additiv erstellte dreidimensionale Formteil aus dem 3D-Drucker, vorzugsweise mittels geeigneter Robotik zu entnehmen, und zu einem anderen Werkplatz ausserhalb des 3D-Druckers zu verbringen, zum Herstellen der metallisierten Bereiche auf der Oberfläche des Formteils. An diesem anderen Werkplatz ist vorzugsweise ein (in der Nomenklatur gegenüber dem ersten Laser des 3D-Druckers) zweiter Laser vorgesehen. Mittels dieses zweiten Lasers wird das Formteil in den Bereichen, die metallisiert werden sollen, bestrahlt, z.B. werden mit dem zweiten Laser Leiterbahnen „geschrieben“. Hierdurch werden in diesen Bereichen die beigesetzten Additive im Formkörper aktiviert, d.h. aus dem Additiv Metallkeime abgespalten. In einem weiteren Schritt, bevorzugt an einem weiteren Werkplatz, wird dann Metall, beispielsweise Kupfer, der Oberfläche des Formkörpers zugeführt. Das Metall bindet selektiv an den zuvor durch den zweiten Laser bestrahlten Bereichen an durch chemisch-reduktive Katalyse, sodass diese Bereiche zu metallisierten Bereichen auf dem Formkörper werden.

[0024] Solche metallisierten Bereiche können in der späteren Anwendung des dreidimensionalen Formkörpers als Schaltungsträger als Leiterbahnen, oder Kontaktstellen, oder Antennen, oder thermische Leitflächen, oder elektromagnetische Schirmungen dienen.

[0025] Gemäss einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein dreidimensionaler Formkörper mit metallisierten Bereichen angegeben, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele.

[0026] Gemäss einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein dreidimensionaler Formkörper angegeben, der einen schichtweisen Aufbau aufweist, Der Formkörper weist zum einen metallisierte Bereiche, vorzugsweise an seiner Oberfläche auf. Das Material des Formkörpers ist ein gehärtetes Photopolymer. Dieses Photopolymer und damit der Formkörper enthält Additive, welche in einem Laser-Direktstrukturierungsverfahren zum Herstellen der metallisierten Bereiche verwendbar sind, auch abseits der Metallisierungen.

[0027] Der Formkörper ist also ein dreidimensionaler Schaltungsträger und ist dahingehend dreidimensional ausgestaltet, als er gegenüber einem planaren zweidimensionalen Schaltungsträger wie der herkömmlichen Leiterplatte (PCB) eine Erstreckung in die dritte /vertikale Dimension aufweist, welche über die üblicherweise geringe Dicke einer herkömmlichen Leiterplatte hinausgeht. Der 3D Schaltungsträger als solcher weist Leiterzüge und leitende Flächen auf. Der dreidimensionale Schaltungsträger ist in seiner Funktionalität vergleichbar mit einem dreidimensionalen MID (Moulded Interconnect Device). Er ist allerdings nicht spritzgegossen, sondern additiv hergestellt, bevor mittels der LDS die gewünschten Bereiche metallisiert werden.

[0028] Das vorgeschlagene Verfahren ist vorteilhaft, da mit ihm nahezu beliebige dreidimensionale Strukturen erstellt und zur Leiterplatte gestaltet werden können. Mit dem vorliegenden Verfahren können auch Metallflächen, die im Inneren des 3D Schaltungsträgers liegen und z.B. als Massefläche dienen, hergestellt werden. So wird beispielweise ein Formkörper additiv hergestellt. Bereiche dieses Formkörpers werden dann zum Erstellen von metallisierten Bereichen auf seinen Aussenflächen der Laser-Direktstrukturierung unterzogen. Dieses teilweise metallisierte Formteil kann dann nochmals in den 3D-Drucker gelegt werden. Auf die metallisierten Bereiche wie auch auf andere nicht metallisierte Bereiche werden dann weitere Schichten additiv aufgebaut. Das daraus resultierende Formteil wird dann abermals an seinen Aussenflächen Laser-direktstrukturiert zum Erzeugen der metallisierten Bereiche.

[0029] Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0030] Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 3 zeigt ein Laserdirekt-Strukturierungsverfahren gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und Fig. 4 zeigt ein das Verfahren repräsentierende Diagramm gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Detaillierte Figurenbeschreibung

[0031] Fig. 1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Zur lithographiebasierten additiven Fertigung von dreidimensionalen Formkörpern wird gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ein Lithographieverfahren verwendet. Hierzu wird in Schritt S1 ein dreidimensionales CAD Modell des herzustellenden Formkörpers erstellt. In Schritt S2 wird das dreidimensionale Modell in eine Mehrzahl von Schichten aufgeteilt. In Schritt S3 wird das Lithographiesystem vorbereitet. In Schritt S4 erfolgt eine lithographiebasierte additive Fertigung des dreidimensionalen Formkörpers basierend auf den in Schritt S2 ermittelten Schichten. In Schritt S5 wird der hergestellte Formkörper entfernt und in Schritt S6 wird der Formkörper gesäubert und ggf. nachbearbeitet. In Schritt S7 erfolgt eine weitere Nachbearbeitung des hergestellten Formkörpers in einem Laserdirekt-Strukturierungsverfahren LDS.

[0032] Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Nachfolgend werden die Schritte zur lithographiebasierten additiven Fertigung des dreidimensionalen Formkörpers aus Schritt S4 beschrieben. In Schritt S41 wird das fotoaktive Polymer (beispielsweise ein Photopolymer) beispielsweise aus einer Kartusche in Schichten in einen Beschichter eingebracht. Die Kartusche kann eine Heizeinheit aufweisen, so dass das Material aus einer beheizten Kartusche in den Beschichter eingebracht werden kann. In Schritt S42 wird eine Bauplattform in bzw. an die Materialplattform bis zu einem definierten Abstand angenähert und das Photopolymer wird mit Licht oder einer elektromagnetischen Strahlung bestrahlt. Insbesondere wird die Bauplattform auf die Höhe der Schichtdecke abgesenkt und das Material wird beispielsweise durch einen Laser belichtet. In Schritt S43 wird die Bauplattform nach der Belichtung angehoben, um das belichtete Material von der Materialplattform abzulösen und neues Material mittels des Beschichters aufzutragen. In Schritt S44 wird dieser Vorgang wiederholt, bis der gewünschte Formkörper erhalten wird. In Schritt S45 erfolgt eine Reinigung des Formkörpers, um unerwünschtes Material zu entfernen. In Schritt S46 erfolgt ein Aushärten des Materials, beispielsweise durch eine UV-Bestrahlung und/oder durch eine Erwärmung des Materials.

[0033] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das System zum additiven Fertigen des dreidimensionalen Formkörpers eine Prozessheizung auf, so dass das Photopolymer während des Herstellprozesses auf die benötigte Temperatur erhitzt bzw. erwärmt werden kann. Dies kann durch eine beheizbare Kartusche für das Polymer oder durch eine Beheizung des Polymers nach dem Austritt aus der Kartusche erfolgen.

[0034] Fig. 3 zeigt ein Laserdirekt-Strukturierungsverfahren gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. In Fig. 3 wird die Nachverarbeitung gemäß Schritt S7 weiter definiert. In Schritt S71 erfolgt eine Strukturierung des Formkörpers mit einem Laser basierend auf einem Laserdirekt-Strukturierungsverfahren LDS. Während bei dem standardgemäßen Laserdirekt-Strukturierungsverfahren das Formteil bzw. der Formkörper in einem Einkomponenten-Spritzgussverfahren hergestellt wird, wird dieser Formkörper gemäß der Erfindung wie in Fig. 2 beschrieben basierend auf einem Lithographieverfahren mit einer Prozessheizung hergestellt. In Schritt S72 erfolgt eine Metallisierung der gewünschten Leiterbahnung und Kontakte auf oder in dem Formkörper.

[0035] In Schritt S73 kann optional eine finale Metallisierung mit NiP-Au erfolgen. Anschließend kann in Schritt S74 eine optische und/oder elektronische Prüfung erfolgen. Danach kann das Herstellungsverfahren des Formkörpers beendet werden.

[0036] Fig. 4 zeigt ein Diagramm, welches das Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel illustriert. Hierbei referenzieren (1) eine 3D-Druck-Arbeitsstation, (2) eine LDS-Station und (3) eine Metallisierungsstation, beispielsweise eine Galvanik. Die 3D-Druck-Arbeitsstation weist einen Bauraum 1 auf, mit einer darin verschieblich gelagerten Plattform zum Tragen des zu erstellenden Formteils F, bzw. seiner Vorgängerstufen (partielle Formteile pF). Das Formteil F wird additiv aus Schichten S im Bauraum 1 gefertigt. In vorliegendem Beispiel ist ein Vorratsbehälter 5 ausserhalb des Bauraums 1 vorgesehen, der mit einem mit Additiven A versetzten Photopolymer PP in hochviskoser Form gefüllt ist. Über eine Leitung 51 wird das hochviskose Photopolymer einer beheizbaren Kartusche 12 innerhalb des Bauraums 1 zugeführt, in welcher Kartusche 12 das hochviskose Photopolymer PP erhitzt und als niederviskoses Photopolymer PP in den Bauraum 1 ausgegeben wird, nach wie vor mit im Wesentlichen räumlich gleichverteilten Additive A. Insbesondere ist die Plattform 11 so gesteuert, dass die zuletzt gefertigte Schicht am Ort O vom Bad des niederviskosen Photopolymers PP benetzt wird. Mittels eines ersten Lasers 13 wird das niederviskose Photopolymer am Ort O ausgehärtet und bildet eine weitere Schicht am partiellen Formkörper F. Zusätzlich kann eine schematisch eingezeichnete Heizung 14 für den gesamten Bauraum 1 vorgesehen sein, die den Bauraum 1 auf einer etwa gleichbleibenden Temperatur hält. Ist der Formkörper F additiv mit allen Schichten S vervollständigt, wird er zur LDS-Station (2) transportiert. Dort wird mit einem zweiten Laser 2 eine Struktur für eine spätere Leiterbahn in die Oberfläche des Formteils F im LDS-Verfahren geschrieben. Das so behandelte Formteil F wird dann in der Metallisierungsstation (3) Metallpartikeln ausgesetzt, die chemisch an die Laser-strukturierten Bereiche anbinden und damit metallisierte Bereiche M bilden.

[0037] Zur Herstellung eines dreidimensionalen Schaltungsträgers kann eine Laserdirektstrukturierung LDS verwendet werden. Hierbei wird in einem ersten Schritt ein Formteil hergestellt. Das Material ist hierbei ein Kunststoff mit Additiven. Anschließend kann eine Laseraktivierung und Laserstrukturierung erfolgen. Hierzu wird ein Laserstrahl auf das Formteil gerichtet. Durch die Laserenergie des Lasers erfolgt eine Aktivierung der Additive im thermoplastischen Kunststoffmaterial. Hierdurch werden metallische Keime erzeugt. Durch die Laserbehandlung kann eine mikroraue Oberfläche erreicht werden, auf welche z.B. Kupfer während der Metallisierung aufgebracht werden kann. Zur Metallisierung kann ein additiver Leiterbahnaufbau erreicht werden. Anschließend kann das Formteil mit den gewünschten Komponenten bestückt werden, um den dreidimensionalen Schaltungsträger zu erhalten.

[0038] Die Formteile werden also nicht durch ein Spritzgussverfahren, sondern durch eine lithographiebasierte, additive Fertigung (beispielsweise mittels der Hot-Lithography) hergestellt.

[0039] Das erfindungsgemäße Verfahren zur lithographiebasierten additiven Fertigung von dreidimensionalen Formkörpern erfolgt somit zunächst mit einer additiven Fertigung eines Formkörpers basierend auf einem Hot-Lithography-Verfahren, bei welchem eine Prozessbeheizung erfolgt. Dem hierbei verwendeten Photopolymer werden Additive hinzugesetzt, welche ein Laserdirekt-Strukturierungs-LDS-Verfahren ermöglichen. Nachdem der dreidimensionale Formkörper durch das Hot-Lithography-Verfahren hergestellt worden ist, erfolgt eine Laseraktivierung und -strukturierung. Anschließend erfolgt eine Metallisierung der gewünschten Metallisierungsabschnitte. Anschließend kann optional eine Bestückung des Formkörpers mit den gewünschten Bauteilen erfolgen.

[0040] Ein Verfahren zur lithographiebasierten Fertigung von dreidimensionalen Formkörpern mittels eines Stereo-Lithographieverfahrens mit einer Prozessheizung ist in WO 2018/032022 gezeigt. Ein derartiges Verfahren kann zur Herstellung des Formkörpers von Schritt S4 verwendet werden. Ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares Material ist auf einer durchlässigen Materialauflage vorgesehen. Eine Bauplattform ist im Abstand von der Materialauflage positioniert. Zwischen der Bauteilform und der Materialauflage befindliches Material wird erwärmt und im erwärmten Zustand ortsselektiv von einer Strahlungsquelle bestrahlt und verfestigt. Die Strahlung erfolgt von unten durch die für die Strahlung der ersten Strahlungsquelle zumindest bereichsweise durchlässigen Materialauflage in das Material hinein. Die Erwärmung des Materials kann durch Bestrahlung der Materialauflage mit elektromagnetischer Strahlung einer zweiten Strahlungsquelle erfolgen.

[0041] Bei dem Hot-Lithography-Verfahren erfolgt somit eine Erwärmung des Materials, welches anhand einer elektromagnetischen Strahlung zu verfestigen ist. Somit stellt das Hot-Lithography-Verfahren ein Stereo-Lithographieverfahren mit einer Prozessheizung dar, welche das zu verfestigende Material erwärmt. Durch die Prozessheizung bei dem Hot-Lithography-Verfahren können andere Materialien verwendet werden als bei einem Standard-Stereo-Lithographieverfahren. Somit kann gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein hochviskoses, niedrigreaktives, fotoaktives Polymer als Material für die lithographiebasierte additive Fertigung verwendet werden. Im Gegensatz dazu kann bei dem Standard-Stereo-Lithographieverfahren SLA lediglich niedrigviskoses, hochreaktives, fotoaktives Polymer verwendet werden. Damit können gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung Formteile mit einer höheren Genauigkeit und höheren Reproduzierbarkeit ermöglicht werden. Aufgrund der hohen Viskosität des Materials kann ein Additiv, welches für das LDS Verfahren benötigt wird, sich besser in dem Material für die additive Fertigung verteilen.

[0042] Das bei der additiven Fertigung verwendete Polymer ist ein photoaktives Polymer, welches hochviskos und niedrigreaktiv ist. Ein Beispiel für ein derartiges fotoaktives Polymer ist in EP 3 632 941 A1 beschrieben.

[0043] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein dreidimensionaler Formkörper basierend auf dem Hot-Lithography-Verfahren (Stereo-Lithographieverfahren mit einer Prozessheizung) hergestellt werden. Das für die additive Fertigung verwendete Material weist Additive auf, welche einem LDS Additiv entsprechen bzw. ein LDS Verfahren ermöglichen.

[0044] Als Photopolymer kann Cubicure Thermoblast oder Cubicure Evolution FR verwendet werden.

[0045] Als LDS Additive können Merck Iriotek 8850 oder Merck Iriotek 8825 verwendet werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Formkörpers mit metallisierten Bereichen, mit den Schritten Bereitstellen eines Photopolymers (PP) enthaltend Additive (A), welche in einem Laser-Direktstrukturierungsverfahren zum Herstellen der metallisierten Bereiche (M) verwendbar sind, Additive Fertigung des dreidimensionalen Formkörpers (F) basierend auf einem Lithografie-Verfahren mit einer Prozessheizung zur Erwärmung des Photopolymers (PP), Durchführung des Laser-Direktstrukturierungsverfahrens bei dem additiv gefertigten dreidimensionalen Formkörper (F), und Metallisierung der zu metallisierenden Bereiche (M) des dreidimensionalen Formkörpers (F).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Photopolymer (PP) ein fotoaktives Polymer mit einer ersten Viskosität (V1) ist, bei dem das Photopolymer (PP) infolge seiner Erwärmung durch die Prozessheizung einen Zustand mit einer zweiten Viskosität (V2) einnimmt kleiner als die erste Viskosität (V1), bei dem das Photopolymer (PP) im Zustand seiner zweiten Viskosität (V2) durch Bestrahlung ausgehärtet wird, vorzugsweise bei dem die erste Viskosität (V1) grösser oder gleich 10<3>mPa*s ist, und die zweite Viskosität (V2) kleiner als 10<3>mPa*s ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die additive Fertigung erfolgt mittels der nachfolgenden, sich pro Generation einer Schicht (S) des dreidimensionalen Formkörpers (F) wiederholenden, computergestützt durchgeführten Schritte: a) Erwärmen des im Zustand seiner ersten Viskosität (V1) vorliegenden Photopolymers (PP) mittels der Prozessheizung; b) Bereitstellen des infolge der Erwärmung im Zustand seiner zweiten Viskosität (V2) vorliegenden Photopolymers (PP) am Ort (O) einer zuvor generierten Schicht (S) des Formkörpers (F); c) Aushärten des bereitgestellten Photopolymers (PP) durch Belichtung mittels eines ersten Lasers (13) zum Generieren einer neuen Schicht (S) auf der zuvor generierten Schicht (S); vorzugsweise bei dem alle Schritte a) bis c) in einem Bauraum (1) eines Geräts zur additiven Fertigung durchgeführt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Prozessheizung eine beheizbare Kartusche (12) enthält zum Erwärmen des durch die Kartusche (12) geführten Photopolymers (PP).

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die additive Fertigung in einem Bauraum (1) erfolgt, bei dem der Bauraum (1) während der additiven Fertigung kontinuierlich beheizt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zu metallisierenden Bereiche (M) des additiv gefertigten Formkörpers (F) mit einem zweiten Laser (2) bestrahlt werden zum Aktivieren der Additive (A) im Formkörper (F) in diesen Bereichen (M), bei dem ein Metall (Me) dem Formkörper (F) zugeführt wird und selektiv bindet an den zuvor durch den zweiten Laser (2) bestrahlten Bereichen zu deren Metallisierung, bei dem die metallisierten Bereiche (M) Leiterbahnen, oder Kontaktstellen, oder Antennen, oder thermische Leitflächen, oder elektromagnetische Schirmungen repräsentieren.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem Verfahren der dreidimensionale Formkörper (F) mit metallisierten Bereichen (M) als Pendent zu einem Moulded Interconnect Device hergestellt wird.

8. Dreidimensionaler Formkörper mit metallisierten Bereichen, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

9. Dreidimensionaler Formkörper, aus Schichten (S) aufgebaut, mit metallisierten Bereichen (M), aus einem gehärteten Photopolymer (PP) enthaltend Additive (A), welche in einem Laser-Direktstrukturierungsverfahren zum Herstellen der metallisierten Bereiche (M) verwendbar sind.