DE102014007562B4 - Process for the production of three-dimensional molded parts with integrated pattern structure by additive manufacturing - Google Patents

Process for the production of three-dimensional molded parts with integrated pattern structure by additive manufacturing Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen mit integrierter Leiterbildstruktur (30) mittels additiver Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing) aus einem elektrisch leitfähigen und einem nicht leitfähigen Material, wobei sich das Formteil aus dem nicht elektrisch leitfähigen Material und der integrierten Leiterbildstruktur aus dem elektirsch leitfähigen Material zusammensetzt und das elektrisch leitfähige Material aus einer TCO-Tinte besteht. Die Erfindung betrifft auch ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes dreidimensionales Objekt.The invention relates to a method for producing three-dimensional molded parts with integrated circuit pattern (30) by additive manufacturing processes (additive manufacturing) of an electrically conductive and a non-conductive material, wherein the molded part of the non-electrically conductive material and the integrated circuit pattern structure from the elektirsch composed of conductive material and the electrically conductive material consists of a TCO ink. The invention also relates to a three-dimensional object produced by means of the method according to the invention.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen mit integrierter Leiterbildstruktur mittels additiver Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing) aus einem elektrisch leitfähigen und einem nicht leitfähigen Material, bei dem das elektrisch leitfähige Material so an der Oberfläche beschaffen ist, dass dort selektiv eine durch und durch metallische Schicht durch einen chemischen oder galvanischen Prozess angelagert werden kann gemäß Anspruch 1. Die Erfindung betrifft auch ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes, dreidimensionales Objekt.The invention relates to an apparatus and a method for the production of three-dimensional molded parts with integrated pattern structure by means of additive manufacturing processes (additive manufacturing) of an electrically conductive and a non-conductive material, wherein the electrically conductive material is provided on the surface that selectively there can be deposited by a chemical or galvanic process through and through metallic layer according to claim 1. The invention also relates to a produced by the method according to the invention, three-dimensional object.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Die Nutzung von Hochtemperaturthermoplasten und deren strukturierte Metallisierung eröffnet der Elektronikindustrie eine neue Dimension von Schaltungsträgern: räumliche spritzgegossene Schaltungsträger (Molded Interconnect Devices, MID). MID sind Formteile mit integrierter Leiterbildstruktur. Sie schaffen enorme technische Rationalisierungspotenziale und sind wesentlich umweltverträglicher als herkömmliche Leiterplatten, die sie jedoch nicht ablösen, sondern sinnvoll ergänzen.The use of high-temperature thermoplastics and their structured metallization opens up a new dimension of circuit carriers for the electronics industry: molded-in molded interconnect devices (MID). MID are molded parts with integrated pattern structure. They create enormous technical potential for rationalization and are much more environmentally friendly than conventional printed circuit boards, which they do not replace, but complement each other sensibly.

Wesentliche Einsatzgebiete für die MID Technologie sind die Automobilelektronik und die Telekommunikation, daneben aber z. B. auch Computer, Hausgeräte oder die Medizintechnik. Derzeit weist der Markt ein jährliches Wachstum in Höhe von etwa 20% auf.Essential applications for the MID technology are the automotive electronics and telecommunications, but also z. As well as computers, home appliances or medical technology. Currently, the market has an annual growth of about 20%.

Bei dieser Erfindung geht es darum, Prototypen und Kleinserien dieser MID durch additive Fertigungsverfahren ohne den Einsatz von Werkzeugen zu erzeugen. Der räumliche spritzgegossene Schaltungsträger setzt sich aus dem 3D-Modell des Schaltungsträgers und dem 3D-Schaltungslayout zusammen.This invention is concerned with producing prototypes and small series of these MIDs by additive manufacturing methods without the use of tools. The spatial injection-molded circuit carrier is composed of the 3D model of the circuit carrier and the 3D circuit layout.

Im Wesentlichen werden 3 Prozessschritte zur Herstellung von MIDs benötigt:

  • 1. Herstellung des Schaltungsträgers
  • a. Einkomponentenspritzguss
  • b. Zweikomponentenspritzguss
  • c. Insert Molding (Hinterspritzen der Schaltung/Leiterbahnen)
  • 2. Strukturierung des Schaltungsträgers
  • 3. Metallisierung des Schaltungsträgers
Essentially, 3 process steps are needed to produce MIDs:
  • 1. Production of the circuit carrier
  • a. single-component
  • b. Two-component injection molding
  • c. Insert Molding (insert molding of the circuit / tracks)
  • 2. Structuring of the circuit carrier
  • 3. Metallization of the circuit substrate

Die unterschiedlichen Herstellungsverfahren sind im Detail in der einschlägigen Fachliteratur zu MIDs nachzulesen.The different production methods can be found in detail in the relevant specialist literature on MIDs.

Alle Verfahren haben gemein, dass bei dreidimensionalen Formteilen ein Spritzgusswerkzeug für den Schaltungsträger hergestellt werden muss und das Schaltungslayout entweder durch ein zweites, elektrisch leitfähiges Material strukturiert wird oder das Formteilmaterial entsprechend dem Layout leitfähig gemacht wird, um anschließend metallisiert werden zu können.All methods have in common that in three-dimensional moldings, an injection molding tool for the circuit substrate must be prepared and the circuit layout is either structured by a second, electrically conductive material or the molding material is made conductive according to the layout in order to be subsequently metallized can.

Bei dieser großen Anzahl von komplexen Fertigungsschritten sind kleine Stückzahlen nicht wirtschaftlich und die Herstellung von Prototypen ist auf Grund der hohen Werkzeugkosten und der langen Fertigungszeiten kosten- und zeitaufwendig.With this large number of complex production steps, small quantities are not economical and the production of prototypes is costly and time-consuming due to the high tool costs and the long production times.

Um die Herstellung von Prototypen und Kleinserien zu beschleunigen und bezahlbar zu machen, bieten sich additive Fertigungsverfahren an, bei denen multiple Materialien in einem Bauprozess eingesetzt werden können.In order to accelerate the production of prototypes and small batches and to make them affordable, additive manufacturing processes are suitable in which multiple materials can be used in a construction process.

In den beiden US-amerikanischen Patentschriften US 2014/0 036 455 A1 – ”System and Method for Additive Manufacturing of an Object” und US 2010/0 127 433 A1 – ”Methods and Systems for Integrating Fluid Dispensing Technology with Stereolithography” werden bereits Prozesse beschrieben, wie elektrisch leitfähige Materialen in den 3D-Druck-Prozess integriert werden, um elektrisch leitende Strukturen innerhalb eines additiv gefertigten Bauteils zu erzeugen.In the two US patents US 2014/0 036 455 A1 - "System and Method for Additive Manufacturing of an Object" and US 2010/0 127 433 A1 - "Methods and Systems for Integrating Fluid Dispensing Technology with Stereolithography" are already described processes how electrically conductive materials are integrated into the 3D printing process to produce electrically conductive structures within an additively manufactured component.

Da es sich bei diesen Strukturen nicht um reine metallische Strukturen handelt, haben sie einen hohen Innenwiderstand und können so nur bedingt für klassische Leiterbahn-Funktionen, wie sie auf Leiterplatten zu finden sind, eingesetzt werden.Since these structures are not purely metallic structures, they have a high internal resistance and can only be used to a limited extent for traditional circuit path functions, as can be found on printed circuit boards.

Im Rahmen dieser Erfindung soll als elektrisch leitfähiges Material eine TCO Tinte (TCO = Transparent Conducting Oxcides/Transparent leitfähige Oxide) eingesetzt werden, die vom Leibnitz-Institut für neue Materialien (INM) entwickelt und so angepasst ist, dass sie sich zum einen wie in der Patentanmeldung US 2014/0 036 455 A1 beschrieben in einem auf Photopolymerisation basierenden, additiven Fertigungsverfahren verabeiten läßt und zum anderen entsprechend günstige Eigenschaften für den nachgestellten, galvanischen Prozess zur Metallabscheidung und Anhaftung bietet.In the context of this invention is to be used as an electrically conductive material, a TCO ink (TCO = Transparent Conducting Oxcides / transparent conductive oxides) developed by the Leibnitz Institute for New Materials (INM) and adapted so that they are both a described patent application in a based on photopolymerization, additive manufacturing process and on the other hand correspondingly favorable properties for the trailing, galvanic process for metal deposition and adhesion offers.

Die TCO-Tinten enthalten Nanopartikel aus transparenten, leitfähigen Oxiden und werden über nasschemische Prozesse hergestellt. Üblicherweise werden TCOs mittels Vakuumbeschichtung, wie z. B. Sputtern, aufgetragen. Diese neu vom INM entwickelte Methode ermöglicht erstmals den Direktdruck von transparenten Leiterstrukturen auf festen und/oder flexiblen Substrate, wie z. B. Kunststofffolien. Die TCO-Tinte kann z. B. im Tiefdruckverfahren aufgetragen und bei < 150°C mittels UV-Strahlung fixiert bzw. ausgehärtet werden.The TCO inks contain nanoparticles of transparent, conductive oxides and are produced by wet-chemical processes. Usually, TCOs by means of vacuum coating, such as. Sputtering. This method, newly developed by INM, enables for the first time the direct printing of transparent conductor structures on solid and / or flexible substrates. B. plastic films. The TCO ink can be z. B. in gravure printing applied and cured at <150 ° C by means of UV radiation or cured.

In der amerikanischen Patentanmeldung von Apple US 2013/0 342 592 A1 „Inkjet printer for printing an a three-dimensional object and related apparatus and method” wird vom Bedrucken eines dreidimensionalen Körpers mit leitfähiger Tinte mittels eines Tintenstrahldruckers gesprochen.In the US patent application US 2013/0 342 592 A1 "Inkjet printer for printing on a three-dimensional object and related apparatus and method" is spoken by printing a three-dimensional body with conductive ink by means of an inkjet printer.

Diese Erfindung basiert darauf, die elektrisch leitfähige und mittels UV-Strahlung aushärtbare TCO-Tinte innerhalb eines Additive Manufacturing Verfahrens zur dreidimensionalen Strukturierung der Leiterbildstruktur einzusetzen, um in Anschluß einen Galvanikprozess zur Abscheidung von hochleitfähigen Metallen, wie z. B. Kupfer oder Gold zur Erzeugung von dauerhaften Leiterbahen zu ermöglichen.This invention is based on using the electrically conductive and UV-curable TCO ink within an additive manufacturing process for three-dimensional structuring of the pattern structure in order subsequently to a galvanic process for the deposition of highly conductive metals, such as. As copper or gold to produce permanent Leiterbahen to allow.

Die Auswahl der Additive Manufacturing Verfahren in dieser Patentschrift wird auf die Technologien eingeschränkt, bei denen offensichtlich entweder „Tinten” oder flüssige Materialien, wie z. B. Photopolymere, verarbeitet werden, eingeschränkt:

  • – Drop-On-Powder Technologie
  • – PolyJet Technologie
  • – 3D-DLP-Printing-Technologie
  • – Stereolithographie
The selection of the additive manufacturing methods in this specification is limited to the technologies in which obviously either "inks" or liquid materials, such as e.g. As photopolymers, are processed, limited:
  • - Drop-on powder technology
  • - PolyJet technology
  • - 3D DLP printing technology
  • - Stereo

Bei der Drop-On-Powder Technologie wird über Druckköpfe selektiv Schicht für Schicht ein Binder-Material auf ein Pulverbett (aus Kunststoff, Metall oder Sand) aufgetragen, um dreidimensionale Formteile generativ zu erzeugen. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass keine Stützstrukturen benötigt werden, da das Formteil in einem Pulverbett aufgebaut wird. Außerdem ist das Verfahren günstig, da Standarddruckköpfe aus der Druckindustrie (Tintenstrahldrucker) eingesetzt werden. Diese Technologie wurde von der Firma Z-Corp. zur Serienreife entwickelt und gehört mittlerweile zur 3D-Systems Gruppe.With drop-on-powder technology, layer by layer, a binder material is selectively applied to a powder bed (made of plastic, metal or sand) using printheads to generatively produce three-dimensional molded parts. The advantage of this method is that no support structures are needed because the molding is built in a powder bed. In addition, the method is favorable, since standard print heads from the printing industry (inkjet printer) are used. This technology was developed by Z-Corp. developed to series maturity and now belongs to the 3D-Systems Group.

Bei der PolyJet-Drucktechnologie können multiple Materialen mit unterschiedlichen Eigenschaften parallel in einem Bauteil verarbeitet werden.With PolyJet printing technology, multiple materials with different properties can be processed in parallel in one component.

Bei der PolyJet-Drucktechnologie handelt es sich um eine leistungsstarke additive Verfahrenstechnik, die von Stratasys patentiert wurde,
3D-Drucker mit PolyJet-Technologie ermöglichen dank einer Schichtstärke von 16 Mikrometer und einer Genauigkeit von bis zu 0,1 mm glatte Oberflächen, geringe Wandstärken und komplexe Geometrien. Es handelt sich um die einzige Technologie, bei der sich zahlreiche Materialien mit Eigenschaften von gummiartig bis hin zu fest sowie transparent bis hin zu blickdicht einsetzen lassen.
PolyJet printing technology is a high-performance additive process technology patented by Stratasys.
PolyJet 3D printers offer smooth surfaces, small wall thicknesses and complex geometries thanks to a layer thickness of 16 micrometers and an accuracy of up to 0.1 mm. It's the only technology that can handle a wide range of materials, from rubbery to solid, transparent to opaque.

Mit der Objet Connex-Technologie lassen sich sogar mehrere Materialien gleichzeitig in einem Teil verarbeiten und auch mehrfarbige Teile erzeugen.With the Objet Connex technology even multiple materials can be processed simultaneously in one part and also produce multi-colored parts.

Auch wären die auf der klassischen Photopolymerisation basierenden Verfahren wie Stereolithographie und 3D-DLP-Printing, bei denen ein lichthärtender Kunststoff selektiv zur Aushärtung kommt, denkbar, sofern mit multiplen Materialien innerhalb eines Baujobs gearbeitet werden kann. Dies ist zum jetzigen Zeitpunkt nicht der Fall, da der/die wechselnde, selektive Materialauftrag/Materialzufuhr noch nicht technisch umgesetzt wurde.Also, the methods based on classical photopolymerization such as stereolithography and 3D-DLP printing, in which a light-curing plastic selectively curing, would be conceivable, if it can be used with multiple materials within a construction job. This is not the case at the moment because the changing, selective material order / material supply has not yet been technically implemented.

Auf eine ausführliche Erläuterung dieser bekannten Verfahren wird jedoch zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen verzichtet. Außerdem haben die hier beschriebenen Verfahren keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Prinzipiell kann zur Umsetzung der Erfindung jedes Additive Manufacturing Verfahren eingesetzt werden, bei dem das selektive Auftragen von TCO-Tinten – auch als zusätzlicher Prozess zum eigentlichen Verfahren – möglich und sinnhaft ist, um die in das Formteil integrierten, dreidimensionalen Leiterbildstrukturen zu erzeugen.However, a detailed explanation of these known methods will be omitted to avoid unnecessary repetition. In addition, the methods described here are not exhaustive. In principle, any additive manufacturing process can be used to implement the invention, in which the selective application of TCO inks - also as an additional process to the actual process - is possible and meaningful to produce the integrated into the molding, three-dimensional pattern structures.

Die Erfindung beruht darauf, das Formteil, bzw. den Schaltungsträger zusammen mit der Schaltung in einem 3D-Druckverfahren herzustellen und dabei für die Erzeugung der dreidimensionalen Leiterbildstruktur die TCO-Tinte in demselben oder einem zusätzlichen Verfahren zu verwenden.The invention is based on producing the molded part or the circuit carrier together with the circuit in a 3D printing method and thereby using the TCO ink in the same or an additional method for the generation of the three-dimensional circuit pattern structure.

Dabei kann dann die so erzeugte leitfähige Struktur entweder selbst als Leiterbahn eingesetzt, oder nachträglich zusätzlich metallisiert werden. Letzteres kann chemisch/galvanisch erfolgen.In this case, the conductive structure thus produced can either itself be used as a conductor, or subsequently additionally metallized. The latter can be done chemically / galvanically.

Wird die TCO-Tinte über Druckköpfe (Piezo-Verfahren, Drop-On-Demand) verarbeitet, wie z. B. bei dem Drop-On-Powder- oder dem PolyJet-Verfahren, werden aufgrund der eingeschränkten Prozessparameter besondere Anforderungen hinsichtlich Viskosität, Temperaturstabilität und auch Photopolymerisationsverhalten (Lichthärtung) gestellt. Nach dem selektiven Jetten der TCO-Tinte für die Bereiche der Leiterbildstruktur innerhalb einer Schicht wird die TCO-Tinte mittels UV-Licht ausgehärtet, bzw. fixiert.If the TCO ink is processed via printheads (piezo process, drop-on-demand), such as. As in the case of the drop-on-powder or the PolyJet method, due to the limited process parameters special requirements in terms of viscosity, temperature stability and photopolymerization (light curing). After the selective jetting of the TCO ink for the regions of the pattern structure within a layer, the TCO ink is cured or fixed by means of UV light.

Beim PolyJet-Verfahren geschieht dies in demselben Prozessschritt wie die Aushärtung des Formteil- und Stütz-Materials; beide bestehen aus einem Photopolymer.In the PolyJet process this is done in the same process step as the curing of the molding and support material; both are made of a photopolymer.

Bei dem Drop-On-Powder-Verfahren muss, sofern es sich bei dem eigentlichen Binder-Material nicht um ein Photopolymer handelt, eine zusätzliche Vorrichtung zur Aushärtung der TCO-Tinte, wie z. B. ein UV-Strahler, in das System integriert werden.In the case of the drop-on-powder method, if the actual binder material is not a photopolymer, an additional device for curing the TCO ink, such as TCO ink must be used. As a UV lamp, are integrated into the system.

Da es sich bei der TCO-Tinte um ein transparentes Material handelt, kann es aus praktischen Gründen sinnvoll sein, die TCO-Tinte einzufärben, um die Leiterbildstruktur in dem fertig gedruckten Formteil optisch erkennbar zu machen. Because the TCO ink is a transparent material, for practical reasons, it may be useful to color the TCO ink to make the pattern structure in the finished printed part optically recognizable.

Die unterschiedlichen Bereiche für das selektive Auftragen/Jetten der unterschiedlichen Materialien für Formteil und Schaltungsstruktur werden durch das Zusammenführen entsprechender 3D-CAD-Dateien für Formteil und Schaltungsstruktur vorgegeben, siehe 1.The different areas for the selective application / jetting of the different materials for molding and circuit structure are given by merging corresponding 3D CAD files for molding and circuit structure, see 1 ,

Im Europapatent EP 2 072 223 B1 „Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten aus verschiedenartigen Materialien mittels Rapid Prototyping” wird ein mögliches Verfahren zur Daten-Verarbeitung und -Bereitstellung beschrieben.In the European patent EP 2 072 223 B1 "Apparatus and method for producing three-dimensional objects from various materials by means of rapid prototyping" describes a possible method for data processing and provision.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen mit integrierter Leiterbildstruktur mittels additiver Fertigungsverfahren, wie z. B. PolyJet oder Drop-On-Powder, unter Einsatz nicht elektrisch leitfähiger Materialien für das Formteil und einer TCO-Tinte zur Erzeugung der Leiterbildstruktur einzusetzen, wobei die eigentlichen Leiterbahnen durch einen anschließenden chemischen oder galvanischen Prozess durch Ablagern von Metall auf der Leiterbildstruktur erzeugt werden. Somit ist es möglich, sogenannte Molded Interconnected Devices (MID) in kleinen Stückzahlen bis hin zu einem Stück in effizienter Weise herzustellen,

  • a) ohne Werkzeuge fertigen zu müssen und
  • b) dabei die Anzahl der Fertigungsschritte zu reduzieren.
The invention is based on the object, an apparatus and a method for producing three-dimensional molded parts with integrated pattern structure by means of additive manufacturing processes such. B. PolyJet or drop-on powder, using non-electrically conductive materials for the molding and a TCO ink to produce the pattern structure, wherein the actual interconnects are produced by a subsequent chemical or electroplating process by depositing metal on the pattern structure , Thus, it is possible to produce so-called Molded Interconnected Devices (MID) in small quantities up to a piece in an efficient manner,
  • a) to produce without tools and
  • b) to reduce the number of manufacturing steps.

Die Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der nebengeordnete Anspruch betrifft ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Objekt.The object is achieved by a method having the features of claim 1. The independent claim relates to an object produced by means of the method according to the invention.

Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren des Additive Manufacturing erlaubten bislang nur eine Variation von mechanischen und optischen Eigenschaften, nicht aber von elektrisch leitfähigen Eigenschaften.The known devices and methods of additive manufacturing have so far allowed only a variation of mechanical and optical properties, but not of electrically conductive properties.

Mittels des in der Erfindung beschriebenen Verfahrens gelingt es nun unter Einsatz der UV-härtenden TCO-Tinte, elektrisch leitfähige Strukturen sowohl oberflächlich als auch innerhalb eines dreidimensionalen Formteils zu generieren, wobei die eigentlichen Leiterbahnen durch einen anschließenden chemischen oder galvanischen Prozess durch Ablagern von Metall auf der Leiterbildstruktur erzeugt werden, um so Formteile mit integrierter Leiterbildstruktur, auch bekannt als Molded Interconnected Devices (MID), in kleinen Stückzahlen kostengünstig und schnell mittels Additive Manufacturing zu erzeugen. Bevorzugte Technologien sind dabei das PolyJet- und das Drop-On-Powder-Verfahren.By means of the method described in the invention, it is now possible using the UV-curing TCO ink to generate electrically conductive structures both superficially and within a three-dimensional molded part, wherein the actual interconnects by a subsequent chemical or galvanic process by depositing metal on the pattern structure are produced so as to produce molded parts with integrated pattern structure, also known as Molded Interconnected Devices (MID), in small quantities cost-effectively and quickly by means of additive manufacturing. Preferred technologies are the PolyJet and the Drop-On-Powder process.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden rein beispielhaften und nicht-beschränkenden Beschreibung von Durchführungsformen des Verfahrens, im Zuge welcher auch Details einer entsprechenden Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens offenbart werden.Further details and advantages of the invention will become apparent from the following purely exemplary and non-limiting description of embodiments of the method, in the course of which details of a corresponding device for carrying out the method are disclosed.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1 zeigt ein Schaubild, in welchem schematisch die Zusammenführung der beiden Datensätze zu dreidimensionalem Formteil (3D-Substrat) und dreidimensionaler Leiterbildstruktur (3D-Schaltungsteil) zu einem gemeinsamen Objekt (3D-MID) dargestellt ist. 1 shows a diagram in which schematically the merger of the two data sets to three-dimensional molded part (3D substrate) and three-dimensional circuit pattern structure (3D circuit part) to a common object (3D-MID) is shown.

2 zeigt ein Schaubild, in welchem schematisch der Einsatz der TCO-Tinte innerhalb von Drop-On-Powder Verfahren und Vorrichtung dargestellt wird. 2 FIG. 12 is a diagram schematically illustrating the use of TCO ink within the drop-on-powder process and apparatus. FIG.

3 zeigt ein Schaubild, in welchem schematisch der Einsatz der TCO-Tinte innerhalb von PolyJet Verfahren und Vorrichtung dargestellt wird. 3 FIG. 12 is a diagram schematically illustrating the use of the TCO ink within the PolyJet method and apparatus. FIG.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER DURCHFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

In 2 wird das klassische Drop-On-Powder Verfahren dargestellt, bei dem der Binder in Form einer Flüssigkeit/Tinte, z. T. auch in unterschiedlichen Farben, in einem Tank vorgehalten und durch einen Tintendruckkopf schichtweise selektiv auf das Pulverbett aufgetragen wird.In 2 the classic drop-on-powder process is shown in which the binder in the form of a liquid / ink, for. T. also in different colors, held in a tank and applied by an inkjet print head in layers selectively on the powder bed.

Im Rahmen der Erfindung wird nun ein zusätzlicher Tank und Druckkopf für die TCO-Tinte bereitgestellt und über die Software angesteuert.In the context of the invention, an additional tank and print head for the TCO ink is now provided and controlled via the software.

Ein zusätzlich installierter UV-Strahler bewegt sich im Anschluss über die selektiv gebundene Pulverschicht und härtet die TCO-Tinte aus.An additionally installed UV emitter then moves over the selectively bonded powder layer and hardens the TCO ink.

In 3 wird das Poly-Jet Verfahren dargestellt, das den Vorteil hat, dass die TCO-Tinte ähnlich prozessiert wird wie die Materialien (Photopolymere) für Formteil und Stützstruktur. Alle 3 Materialien werden Schicht für Schicht selektiv in Abhängigkeit ihres 3D-Datensatzes mittels eines Drop-On-Demand Druckkopfes aufgetragen und direkt nach dem Auftrag mittels einer UV-Strahlungsquelle ausgehärtet.In 3 the poly-jet process is presented, which has the advantage that the TCO ink is processed similarly to the materials (photopolymers) for molding and support structure. All three materials are applied layer by layer selectively as a function of their 3D data set by means of a drop-on-demand printhead and cured directly after application by means of a UV radiation source.

Bei der Stereolithographie, bzw. dem 3D-DLP-Printing bietet sich die Über-Kopf-Methode an, bei der das Bauteil an einer Trägerplatte hängt, die sich Schicht für Schicht nach oben bewegt und das Material durch den transparenten Boden der Materialwanne hindurch belichtet wird. Bei diesen beiden Verfahren werden die Materialien nicht selektiv aufgetragen, sondern mittels Laserstrahl oder Projektionsmaske pro Schicht und Struktur von Formteil und Leiterbild selektiv ausgehärtet. Da hier die Materialien über die gesamte Bauebene in einer Materialwanne (mit transparentem Boden) bereitgestellt werden, müssen die Materialwannen von Formteil-Material und Leiterbild-Material (TCO-Tinte) innerhalb des Generierungsprozesses einer Schicht ausgetauscht und die Schicht in Abhängigkeit der 3D-Datensätze Formteil und Leiterbild belichtet werden.Stereolithography, or 3D-DLP printing, uses the overhead method, where the component hangs from a support plate that moves up layer by layer exposing the material through the transparent bottom of the material tray becomes. In these two methods, the materials are not applied selectively, but selectively cured by means of laser beam or projection mask per layer and structure of the molded part and conductive pattern. Since the materials are provided over the entire building level in a material tray (with transparent bottom), the material pans of the molded part material and the pattern material (TCO ink) must be exchanged within the generation process of a layer and the layer depending on the 3D data sets Form part and conductor image are exposed.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
3D-Substrat3D substrate
22
3D-MID3D-MID
33
3D-Schaltungslayout3D circuit layout
44
Reservoir für flüssigen BinderReservoir for liquid binder
55
Reservoir für TCO-TinteReservoir for TCO ink
66
Elektromagnetische StrahlungsquelleElectromagnetic radiation source
77
Nevelierwalze für PulverbettNevelierwalze for powder bed
88th
Kammer für Pulver-ZufuhrChamber for powder feed
99
Hubzylinder für Pulver-ZufuhrLifting cylinder for powder feed
1010
Pulverbettpowder bed
1111
Bauraumspace
1212
Elektrisch leitfähige Struktur aus TCO-TinteElectrically conductive structure made of TCO ink
1313
Hubzylinder für PulverbettLifting cylinder for powder bed
1414
Bauebenebuilding plane
1515
Dreidimensionales BauteilThree-dimensional component
1616
Tintenstrahl-DruckkopfInkjet printhead
1717
TCO-Tinten-DruckkopfTCO ink print head,
1818
Partikel-SammelgefäßParticle collection vessel
1919
PlanierfräseGRADER
2020
Elektromagnetische StrahlungsquelleElectromagnetic radiation source
2121
Bauteilcomponent
2222
Elektrisch leitfähige StrukturElectrically conductive structure
2323
Hubzylinder für TrägerplattformLifting cylinder for carrier platform
2424
Trägerplattformcarrier platform
2525
Reservoir für BaumaterialReservoir for building material
2626
Reservoir für StützmaterialReservoir for supporting material
2727
Reservoir für TCO-TinteReservoir for TCO ink
2828
Stützstruktur aus StützmaterialSupport structure made of support material
2929
Druckköpfe für Baumaterial, Stützmaterial und TCO-TintePrintheads for building material, support material and TCO ink

Claims (9)

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes, bestehend aus einem dreidimensionalen Formteil und einer integrierten dreidimensionalen Leiterbildstruktur, mittels eines additiven Fertigungsverfahrens (Additive Manufacturing) unter Einsatz mindestens eines nicht elektrisch leitfähigen und mindestens eines elektrisch leitfähigen Materials, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil aus mindestens einem der nicht elektrisch leitfähigen Materialien generiert und die Leiterbildstruktur mit Hilfe einer TCO-Tinte erzeugt wird, wobei die so erzeugte leitfähige Struktur nachträglich zusätzlich metallisiert wird und die Metallisierung chemisch oder galvanisch erfolgt.A method for producing a three-dimensional object, consisting of a three-dimensional molded part and an integrated three-dimensional pattern structure, by means of an additive manufacturing process (additive manufacturing) using at least one non-electrically conductive and at least one electrically conductive material, characterized in that the molded part of at least one of generated electrically conductive materials and the pattern structure is generated using a TCO ink, wherein the conductive structure thus produced is subsequently additionally metallized and the metallization takes place chemically or galvanically. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Materialgruppen, elektrisch leitfähig und nicht leitfähig, parallel innerhalb ein und demselben additiven Fertigungsprozess eingesetzt werden.A method according to claim 1, characterized in that both material groups, electrically conductive and non-conductive, are used in parallel within one and the same additive manufacturing process. Verfahren nach den Ansprüchen 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Drop-on-Powder-Verfahren an den Stellen zur Erzeugung der Leiterbildstruktur eine TCO-Tinte als Binder eingesetzt wird.Process according to claims 1-2, characterized in that a TCO ink is used as a binder in a drop-on-powder process at the locations for generating the pattern structure. Verfahren nach den Ansprüchen 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem PolyJet-Verfahren zur Erzeugung der Leiterbildstruktur eine TCO-Tinte als elektrisch leitfähiges Material eingesetzt wird.Method according to claims 1-2, characterized in that a TCO ink is used as electrically conductive material in a PolyJet method for producing the pattern structure. Verfahren nach den Ansprüchen 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Stereolithographischen Verfahren oder dem 3D-DLP-Printing zur Erzeugung der Leiterbildstruktur innerhalb einer Schicht die Material-Wanne für das Formteil-Material gegen eine Material-Wanne mit der TCO-Tinte ausgetauscht wird.Method according to claims 1-2, characterized in that in stereolithographic processes or 3D-DLP printing to produce the pattern structure within a layer, the material tray for the molding material is exchanged with a material tray with the TCO ink , Verfahren nach den Ansprüchen 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die TCO-Tinte eingefärbt wird.Process according to claims 1-5, characterized in that the TCO ink is colored. Verfahren nach den Ansprüchen 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass die TCO-Tinte durch elektromagnetische Strahlung fixierbar, bzw. aushärtbar ist.Method according to claims 1-5, characterized in that the TCO ink can be fixed by electromagnetic radiation, or curable. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei dem additiven Fertigungsverfahren die Stellen, an denen a) das Material für das Formteil selektiv aufgetragen und/oder zur Aushärtung gebracht werden soll und b) das Material für die Leiterbildstruktur selektiv aufgetragen und/oder zur Aushärtung gebracht werden soll jeweils in einem eigenen Datensatz festgelegt sind.A method according to claim 1, characterized in that in the additive manufacturing process, the locations where a) the material for the molding is selectively applied and / or cured and b) the material for the pattern structure selectively applied and / or cured should be each set in a separate record. Dreidimensionales Objekt, insbesondere dreidimensionales Formteil mit integrierter Leiterbildstruktur, auch bekannt als „Molded Interconnected Device” (MID), dadurch gekennzeichnet, dass es unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.Three-dimensional object, in particular three-dimensional molded part with integrated pattern structure, also known as "Molded Interconnected Device" (MID), characterized in that it is produced using a method according to one of claims 1 to 8.
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