DE102021127700A1 - Additive manufacturing process for producing a three-dimensional object and object produced therewith - Google Patents
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Abstract
Bei einem additives Herstellungsverfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes wird ein Aufbau des Gegenstandes in Schichten bereitgestellt, dann ein leitfähiger, langgestreckter Abschnitts (14) einer Leiterbahn (16) innerhalb einer Schicht ausgebracht und in nicht leitfähiges Material eingebettet. An seinen Enden wird der Abschnitt (14) der Leiterbahn (16) mit leitfähigem, fluidem, sich verfestigendem Material (18) kontaktiert. Dadurch, dass das nicht leitfähige Material gleichzeitig mit dem Abschnitt (14) der Leiterbahn (16) ausgebracht wird und dabei den Abschnitt (14) der Leiterbahn (16) in der Schicht ummantelt und dass durch das Kontaktieren mit dem leitfähigen, sich verfestigenden Material (18) ein leitfähiger Übergang zur nächsten Schicht des dreidimensionalen Gegenstandes bereitgestellt wird, werden ein additives Herstellungsverfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstande sowie einen danach hergestellter Gegenstand geschaffen, mit denen mit großer Gestaltungsfreiheit und hoher Integrationsdichte ein Gegenstand mit integrierten elektrischen Komponenten herzustellen ist.In an additive manufacturing process for producing a three-dimensional object, a structure of the object is provided in layers, then a conductive, elongate section (14) of a conductor track (16) is applied within a layer and embedded in non-conductive material. At its ends, the section (14) of the conductor track (16) is contacted with conductive, fluid, solidifying material (18). Due to the fact that the non-conductive material is discharged at the same time as the section (14) of the conductor track (16) and the section (14) of the conductor track (16) is encased in the layer and that the contact with the conductive, solidifying material ( 18) a conductive transition to the next layer of the three-dimensional object is provided, an additive manufacturing method for producing a three-dimensional object and an object produced thereafter are created, with which an object with integrated electrical components can be produced with great design freedom and high integration density.
Description
Gebiet der Erfindungfield of invention
Die Erfindung betrifft ein additives Herstellungsverfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie einen demgemäß hergestellten dreidimensionalen Gegenstand nach dem Oberbegriff des Anspruches 10.The invention relates to an additive manufacturing method for producing a three-dimensional object according to the preamble of claim 1 and a three-dimensional object produced accordingly according to the preamble of
Definitionendefinitions
Im Rahmen dieser Anmeldung wird unter dem Begriff „leitfähiger, langgestreckter Abschnitt“ einer Leiterbahn ein leitfähiges Festkörper-Material wie z.B. ein Draht oder ein anderes geeignetes leitfähiges Material verstanden. Solch ein leitfähiges Festkörper-Material ist z.B. in Form der sogenannten Bonddrähte als Handelsware aus der Halbleiter-Industrie erhältlich. Sie enthalten vorzugsweise wenigstens eines der Materialien Gold, Silber, Kupfer, Platin, Palladium, Aluminium, als auch ein oder mehrere dieser Metalle enthaltende Legierungen.In the context of this application, the term “conductive, elongate section” of a conductor track is understood to mean a conductive solid material such as a wire or another suitable conductive material. Such a conductive solid material is available, for example, in the form of so-called bonding wires as a commodity from the semiconductor industry. They preferably contain at least one of the materials gold, silver, copper, platinum, palladium, aluminum and alloys containing one or more of these metals.
Im Rahmen dieser Anmeldung wird unter einem „Ummanteln“ ein Einbetten des leitfähigen, langgestreckten Abschnitts wie eines Drahts als Leiterbahn in der einen Schicht aus nicht leitfähigem Material verstanden, die mit der Leiterbahn ausgetragen wird. Dabei muss für ein Ummanteln die Leiterbahn nicht genau in der Mitte der Schicht zu liegen kommen. Ein Ummanteln liegt ebenso vor, wenn die Leiterbahn von oben „bedeckt“ ist, solange damit als kleinster Abstand zwischen benachbarten Leiterbahnen eine Schicht aus dem nicht leitfähigen Material eingehalten wird.In the context of this application, “sheathing” means embedding the conductive, elongated section like a wire as a conductor track in the one layer of non-conductive material that is removed with the conductor track. The conductor track does not have to be exactly in the middle of the layer for sheathing. Sheathing is also present when the conductor track is "covered" from above, as long as a layer of non-conductive material is maintained as the smallest distance between adjacent conductor tracks.
Stand der TechnikState of the art
Aus der dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche zugrundeliegenden Patentanmeldung
Aus der
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein additives Herstellungsverfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstande sowie einen danach hergestellten Gegenstand zu schaffen, mit denen mit großer Gestaltungsfreiheit und hoher Integrationsdichte ein Gegenstand mit integrierten elektrischen Komponenten herzustellen ist.Proceeding from this prior art, the object of the present invention is to create an additive manufacturing method for manufacturing a three-dimensional object and an object manufactured using it, with which an object with integrated electrical components can be manufactured with great freedom of design and high integration density.
Diese Aufgabe wird durch ein additives Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst.This object is achieved by an additive manufacturing method having the features of claim 1 and by an object having the features of
Das additive Herstellungsverfahren erfolgt durch Bereitstellen eines schichtweisen Aufbaus des dreidimensionalen Gegenstandes in Schichten, wobei wenigstens ein leitfähiger, langgestreckter Abschnitt einer Leiterbahn aus einem Festkörper-Material wie z. B. einem Draht innerhalb einer Schicht ausgebracht wird. Dabei wird der Abschnitt der Leiterbahn in nicht leitfähiges Material eingebettet und zumindest endständig mit leifähigen, fluiden, sich verfestigten Material kontaktiert. Das nicht leitfähige Material wird gleichzeitig mit dem Abschnitt der Leiterbahn ausgebracht und dabei wird der Abschnitt der Leiterbahn in der Schicht in einem Arbeitsgang ummantelt. Durch das Kontaktieren mit dem sich verfestigenden Material erfolgt von Abschnitt zu Abschnitt der Leiterbahn ein leitfähiger Übergang zur nächsten Schicht des dreidimensionalen Gegenstandes.The additive manufacturing process is accomplished by providing a layered build-up of the three-dimensional object in layers, wherein at least one conductive, elongate portion of a conductive trace is made of a solid material such as e.g. B. a wire within a layer. In this case, the section of the conductor track is embedded in non-conductive material and is contacted at least at the ends with conductive, fluid, solidified material. The non-conductive material is deposited at the same time as the section of the conductor track, thereby encasing the section of the conductor track in the layer in one operation. Contact with the solidifying material results in a conductive transition from section to section of the conductor track to the next layer of the three-dimensional object.
Vorteilhaft werden damit in einer einzigen Bauebene echte Kabeleigenschaften über den Abschnitt der Leiterbahn erzeugt. Je nach Material und insbesondere bei Ummantelung mit Weichkunststoffen ergibt sich eine Biegbarkeit in der Verlegungsebene. Durch das Ummanteln in einer Schicht ergibt sich so ein dünner Aufbau, der gleichzeitig die Voraussetzung für eine hohe Integrationsdichte schafft, da durch das unmittelbare Ummanteln direkt neben, über oder unter einer ummantelten Leiterbahn schon die nächste Leiterbahn angeordnet werden kann. Um die Leiterabschnitte in verschiedenen Schichten miteinander zu kontaktieren, ist es lediglich erforderlich, dass die Enden der Abschnitte frei sind, damit dort über ein leitfähiges Material, wie insbesondere Lot, eine Verbindung zur nächsten Schicht ermöglicht wird. Dies gestattet eine hohe geometrische Auflösung, da nur an einem Punkt die Verbindung zwischen den einzelnen Schichten gewährleistet werden muss.In this way, real cable properties are advantageously generated over the section of the conductor track in a single construction level. Depending on the material and in particular when sheathing with soft plastics, there is flexibility in the laying level. The encapsulation in one layer results in a thin structure, which at the same time creates the prerequisite for a high integration density, since the direct encapsulation allows the next conductive path to be arranged directly next to, above or below a encapsulated conductor. In order to contact the conductor sections in different layers with one another, it is only necessary for the ends of the sections to be free so that a connection to the next layer is made possible there via a conductive material, such as in particular solder. This permits a high geometric resolution, since the connection between the individual layers only has to be guaranteed at one point.
Da die Eigenschaften von Hybridbauteilen insbesondere aus dem Kunststoff-Spritzgießverfahren bezüglich klimatischer Einflüsse, Haftung und Wärmeausdehnung zwischen Ummantelungsmatrix von Werkstoff und leitfähigem Material der Leiterbahn bekannt sind, kann ein funktionstüchtiger Gegenstand mit zuverlässigen Eigenschaften hergestellt werden.Since the properties of hybrid components, in particular from the plastic injection molding process, with regard to climatic influences, adhesion and thermal expansion between the coating matrix of the material and the conductive material of the conductor track are known, a functional object with reliable properties can be produced.
Auch für die Verbindung der Enden der Leiterabschnitte wie der Drahtenden mit einem Löttropfen sind die elektrischen und klimatischen (Alterungs-)Eigenschaften aus der Löttechnik hinlänglich bekannt, insbesondere im Vergleich zur Verwendung von z.B. zwei Komponenten wie Silbertinte oder leitfähigem Kunststoff als Kontakt oder Leiterbahnmaterial bei druckfähigen Lösungen.The electrical and climatic (aging) properties from soldering technology are also well known for the connection of the ends of the conductor sections such as the wire ends with a drop of solder, especially in comparison to the use of e.g. two components such as silver ink or conductive plastic as a contact or conductor track material in the case of printable ones Solutions.
Da der Leiterabschnitt bzw. Draht unmittelbar von einem nicht leitfähigen Material ummantelt wird, ergibt sich ähnlich zu Leiterplatten eine höhere Integrationsdichte von Leiterbahnen im Vergleich zu gedruckter Silbertinte oder leitfähigem Kunststoff, da durch die Ummantelung unmittelbar nebeneinander verschiedene Potenziale realisiert werden können. Dies gilt auch im Unterschied zu FDM-basiertem Leiterbahnendruck, bei dem zwar ein Draht zugeführt wird, aber eben zwischen den Strängen eingebettet/isoliert wird.Since the conductor section or wire is directly encased in a non-conductive material, similar to printed circuit boards, there is a higher integration density of conductive tracks compared to printed silver ink or conductive plastic, since the encapsulation allows different potentials to be realized directly next to one another. This is also in contrast to FDM-based trace printing, in which a wire is fed in but embedded/insulated between the strands.
Vorzugsweise wird das nicht leitfähige Material zum Ummanteln des leitfähigen Abschnitts in Form von Tropfen ausgebracht, die den Abschnitt tropfenweise ummanteln. Vorteilhaft kann dadurch eine noch höhere Integrationsdichte der Leiterbahnen erreicht werden. Da der Draht von „einer“ Tropfenreihe ummantelt wird, können unmittelbar nebeneinander verschiedene Potenziale realisiert werden können.The non-conductive material for coating the conductive section is preferably applied in the form of drops which coat the section drop by drop. An even higher integration density of the conductor tracks can advantageously be achieved as a result. Since the wire is encased by "one" row of drops, different potentials can be realized directly next to each other.
Bevorzugt erfolgt das Ausbringen des Abschnitts der Leiterbahn gleichzeitig mit dem Aufbau der jeweiligen Schicht des Gegenstands, so dass in einem Verfahrensschritt beim Aufbau einer Schicht die vollständige Ummantelung der Leiterbahn erfolgen kann. Dadurch ergibt sich ein schneller Aufbau bei gleichzeitiger elektrischer Integration und Isolation der Leiterbahn.The section of the conductor track is preferably removed at the same time as the respective layer of the object is being built up, so that the conductor track can be completely encased in one method step when a layer is being built up. This results in a faster construction with simultaneous electrical integration and insulation of the conductor track.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die jeweilige Schicht des dreidimensionalen Gegenstandes relativ zu einer feststehenden Austragsdüse orientiert, durch die das nicht leitfähige Material ausgebracht wird, wobei die Drahtzuführung in einem feststehenden geometrischen Verhältnis zur Austragsdüse angeordnet wird. Dies eröffnet vorteilhaft die Möglichkeit, den Gegenstand auf einem Mehrachs-Bautisch so anzuordnen, dass die Bauebene nicht identisch mit der x-y-Ebene des umgebenden Koordinatensystems des Bauraums ist. Damit kann irgendeine mathematische Ebene im Bauteil ausgewählt werden, die als Schicht aufgebaut wird. Dies bedeutet, dass beliebige Orientierungen von Verdrahtungsebenen und Bauteilbestückung in der gesamten Zielgeometrie erreicht werden. Hergestellt wird ein echtes amorphes dreidimensionales integriertes Device.In a preferred embodiment, the respective layer of the three-dimensional object is oriented relative to a fixed discharge nozzle through which the non-conductive material is discharged, with the wire feed being arranged in a fixed geometric relationship to the discharge nozzle. This advantageously opens up the possibility of arranging the object on a multi-axis construction table in such a way that the construction plane is not identical to the x-y plane of the surrounding coordinate system of the construction space. This allows any mathematical level in the component to be selected, which is built up as a layer. This means that any orientation of wiring levels and component assembly can be achieved in the entire target geometry. A true amorphous three-dimensional integrated device is manufactured.
Vorzugsweise wird ein weiteres Material als Stütz- oder Baumaterial durch eine weitere Austragsdüse ausgebracht. Dadurch kann vorteilhaft zum einen die Zuführung des leitfähigen Elements mit ummantelndem, nicht leitfähigem Material erfolgen, andererseits können beliebige sonstige Materialien und/oder Stützmaterialien gleichzeitig oder zeitversetzt aufgebracht werden, um den Baufortschritt zu beschleunigen.A further material is preferably discharged as a support or building material through a further discharge nozzle. As a result, the conductive element can advantageously be supplied with encasing, non-conductive material on the one hand, and on the other hand any other materials and/or support materials can be applied simultaneously or with a time delay in order to accelerate the construction progress.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser des Abschnitts der Leiterbahn so dimensioniert, dass er in einer Reihe von Tropfen ummantelt wird, in dem der Durchmesser etwa das 0,2 bis 0,5-fache eines Tropfendurchmessers aufweist. Dies gestattet vorteilhaft eine zuverlässige Ummantelung und elektrische Isolierung.In a preferred embodiment, the diameter of the section of the conductor track is dimensioned so that it is encased in a series of drops, in which the diameter is about 0.2 to 0.5 times a drop diameter. This advantageously allows for reliable encapsulation and electrical insulation.
Bevorzugterweise werden Abschnitte auch verschiedener Leiterbahnen in benachbarten Schichten so angeordnet, dass sie sich in einer Vertikalprojektion kreuzen und/oder in einer Schicht in nebeneinanderliegenden Tropfenreihen angeordnet werden. Dies erhöht vorteilhafterweise die Integrationsdichte, da anders als bei anderen Herstellungsverfahren lediglich der Tropfendurchmesser eine ausreichende Beabstandung selbst verschiedener Potenziale gewährleistet.Sections of different conductor tracks are also preferably arranged in adjacent layers in such a way that they cross one another in a vertical projection and/or are arranged in rows of drops lying next to one another in one layer. This advantageously increases the integration density since, in contrast to other production methods, only the droplet diameter ensures sufficient spacing even of different potentials.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als leitfähiges, fluides, sich verfestigendes Material Lot und/oder als Abschnitt der Leiterbahn Draht verwendet. Damit werden vorteilhaft bekannte Materialien eingesetzt, deren Zusammenwirken mit Kunststoff aus anderen Bereichen, wie z.B. dem Kunststoffspritzgießen, wohl bekannt ist, so dass auf die dortigen Erfahrungen hinsichtlich der Dimensionierung und Gestaltung zurückgegriffen werden kann.In a preferred exemplary embodiment, solder is used as the conductive, fluid, solidifying material and/or wire is used as a section of the conductor track. Known materials are advantageously used whose interaction with plastic from other areas, such as plastic injection molding, is well known, so that the experience there with regard to dimensioning and design can be used.
Ergänzend können vorzugsweise elektronische Bauteile durch Bestücken von baufreien Räumen des dreidimensionalen Gegenstandes integriert werden und durch Kontaktieren mit dem Abschnitt der Leiterbahn elektrisch verbunden werden. Damit ist es vorteilhaft möglich, beliebige elektronische Bauteile analog zum ummantelnden leitfähigen Element in den dreidimensionalen Gegenstand zu integrieren, wobei bei SMD-Bauteilen unter Umständen genau ein Tropfen zur Kontaktierung in der Leiterbahnebene am Drahtende genügt. Einen Lottropfen lediglich zu Kontaktierung zu verwenden, anstatt eine Leiterbahn mit Lot zu drucken, hat den Vorteil, dass die Kontaktierung aus üblichen Lötprozessen bekannt ist. Probleme mit Grenzflächen zwischen mehreren Lottropfen bezüglich Leitfähigkeit und Alterungs-/Klimabeständigkeit im Kunststoff kommen damit nicht zum tragen und auch weniger Flussmittelrückstände finden sich im Bauteil.In addition, preferably electronic components can be integrated by equipping vacant spaces of the three-dimensional object and electrically connected by making contact with the section of the conductor track. This advantageously makes it possible to integrate any desired electronic components into the three-dimensional object analogous to the encasing conductive element, with SMD components possibly being just a drop of contact in the conductor track level at the end of the wire. Using a drop of solder only for contacting, instead of printing a conductor track with solder, has the advantage that the contacting is known from conventional soldering processes. Problems with interfaces between several drops of solder with regard to conductivity and aging/climate resistance in the plastic do not have an effect and there are also fewer flux residues in the component.
Die oben genannte Aufgabe wird auch durch den so hergestellten dreidimensionalen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst, der durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt wird. Der Gegenstand weist übereinanderliegende Schichten sowie im dreidimensionalen Gegenstand angeordnete leitfähige, langgestreckte Abschnitte einer Leiterbahn aus einem Festkörper-Material auf. Die Abschnitte werden von einem nicht leitfähigen Material eingebettet und sind endständig mit einem leitfähigen Material kontaktiert. Die Abschnitte sind von nicht leitfähigem Material ummantelt, das den Abschnitt der Leiterbahn in sich aufnimmt und diesen radial umgibt. Am Abschnitt der Leiterbahn ist endständig ein leitfähiger Übergang zur nächsten Schicht des Gegenstandes vorgesehen. Vorteilhaft ergibt sich damit eine hohe Integrationsdichte, da die Leiterbahn in der Schicht angeordnet ist und unmittelbar beim Schichtaufbau bereits isoliert wird. Aufgrund des Ummantelns kann bereits in der nächsten Schicht die nächste Leiterbahn unmittelbar über der zuvor aufgebauten Leiterbahn angeordnet werden. Gleichzeitig kann durch den Übergang an den Enden der Abschnitte eine hohe Gestaltungsfreiheit gewährleistet werden, da lediglich dieser Übergangspunkt von Schicht zu Schicht erforderlich ist, um einen dreidimensionalen Gegenstand mit integrierten elektrisch leitfähigen Elementen herzustellen.The above-mentioned object is also achieved by the three-dimensional object produced in this way with the features of
Vorzugsweise weist der Gegenstand übereinanderliegende Schichten mit Reihen von aneinander liegenden Tropfen auf, wobei der Abschnitt der Leiterbahn von einer Tropfenreihe des nicht leitfähigen Materials innerhalb der Schicht (12) ummantelt ist, wobei die Tropfen den Abschnitt der Leiterbahn in sich aufnehmen und diesen radial umgeben. Durch das unmittelbare Ummanteln kann vorteilhaft eine hohe Integrationsdichte auf engstem Raum im Raster der Tropfen erreicht werden.Preferably, the article has superimposed layers with rows of abutting beads, the portion of the conductive track being encased by a row of beads of non-conductive material within the layer (12), the beads receiving and radially surrounding the portion of the conductive track. Due to the direct encasing, a high integration density can advantageously be achieved in a very small space in the grid of the droplets.
Vorzugsweise ist der Durchmesser des Abschnitts der Leiterbahn so dimensioniert, dass er in einer Reihe von Tropfen ummantelt ist. Dazu beträgt der Durchmesser der Leiterbahn etwa das 0,2 bis 0,5-fache eines Tropfendurchmessers. Vorteilhaft ist dadurch gewährleistet, dass auf engstem Raum dünne Leiterbahnen auch durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt werden können, so dass sich eine hohe Integrationsdichte auch bei derart hergestellten Gegenständen ergibt.Preferably, the section of conductor track is sized in diameter to be encased in a series of drops. For this purpose, the diameter of the conductor track is about 0.2 to 0.5 times the diameter of a drop. This advantageously ensures that thin conductor tracks can also be produced by an additive manufacturing process in a very small space, so that there is a high integration density even with objects produced in this way.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind Abschnitte auch verschiedener Leiterbahnen in benachbarten Schichten so angeordnet, dass sie sich in einer Vertikalprojektion kreuzen, und/oder in einer Schicht in nebeneinanderliegenden Tropfenreihen angeordnet sind. Durch die Ummantelung in der Tropfenreihe ist es vorteilhaft möglich, dass selbst Leiterbahnen mit unterschiedlichen Potenzialen durch das nicht leitfähige, ummantelte Material so gegeneinander isoliert sind, dass eine derartige Anordnung auf kleinstem Raum kein Problem bereitet. Die Integrationsdichte ist damit höher als bei bedruckter Silbertinte oder leitfähigem Kunststoff oder auch bei einer Einbettung zwischen Strängen oder in Führungskanälen.In a preferred embodiment, sections of different conductor tracks are also arranged in adjacent layers in such a way that they intersect in a vertical projection and/or are arranged in adjacent rows of drops in one layer. The encapsulation in the row of drops advantageously makes it possible for even conductor tracks with different potentials to be isolated from one another by the non-conductive, encapsulated material in such a way that such an arrangement in the smallest of spaces does not cause any problems. The integration density is therefore higher than with printed silver ink or conductive plastic or even when embedded between strands or in guide channels.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist auch eine Anordnung elektronischer Bauteile im dreidimensionalen Gegenstand möglich. Dies erfolgt durch Bestücken von baufreien Räumen des dreidimensionalen Gegenstands, also von Räumen, die zuvor als Baulücke freigelassen wurden. Dort kann das elektronische Bauteil eingesetzt und anschließend durch Kontaktieren mit den Abschnitten der Leiterbahn elektrisch verbunden werden. Hierzu genügt es unter Umständen, dass lediglich ein Lottropfen die Anschlusselemente miteinander verbindet. Auf engstem Raum kann damit durch additive Herstellung ein mit elektronischen Bauelementen bestückter dreidimensionaler Gegenstand hergestellt werden.In a preferred exemplary embodiment, an arrangement of electronic components in the three-dimensional object is also possible. This is done by equipping vacant spaces of the three-dimensional object, ie spaces that were previously left free as a vacant lot. The electronic component can be inserted there and then electrically connected by making contact with the sections of the conductor track. Under certain circumstances, it is sufficient for just a drop of solder to connect the connection elements to one another. A three-dimensional object fitted with electronic components can be produced in a very small space using additive manufacturing.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.Further advantages result from the dependent claims and the following description of a preferred exemplary embodiment.
Figurenlistecharacter list
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine dreidimensionale Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes durch additive Fertigung von schräg oben, -
2 eine Darstellung gemäß1 von schräg unten, -
2a einen vergrößerten Ausschnitt aus2 , -
3 einen Abschnitt einer Leiterbahn mit zugehöriger Kontaktierung, -
4a ,4b Beispiele für eine dreidimensionale Führung einer Leiterbahn, -
5 eine schematische Darstellung einer Ankopplung eines elektronischen Bauteils an eine Leiterbahn, -
6a ,6b verschiedene Anordnungen einer Leiterbahn innerhalb einer Schicht aus nicht leitfähigem Material, vorzugsweise innerhalb eines Tropfens, -
7a ,7b eine schematische Darstellung von sich kreuzenden Leiterbahnen in einer dreidimensionalen Darstellung sowie in Draufsicht, -
8 einen dreidimensionale Darstellung eines Gegenstands mit darin erkennbaren Leiterbahnen.
-
1 a three-dimensional view of a device for producing a three-dimensional object by additive manufacturing obliquely from above, -
2 a representation according to1 from diagonally below -
2a an enlarged section2 , -
3 a section of a conductor track with associated contacts, -
4a ,4b Examples of a three-dimensional routing of a conductor track, -
5 a schematic representation of a coupling of an electronic component to a conductor track, -
6a ,6b different configurations of a conductor track within a layer of non-conductive material, preferably within a droplet, -
7a ,7b a schematic representation of intersecting conductor tracks in a three-dimensional representation and in a plan view, -
8th a three-dimensional representation of an object with traces recognizable in it.
Beschreibung bevorzugter AusführungsbeispieleDescription of preferred embodiments
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.Before the invention is described in detail, it should be pointed out that it is not limited to the respective components of the device and the respective method steps, since these components and methods can vary. The terms used herein are only intended to describe particular embodiments and are not used in a limiting manner. Furthermore, when the singular or indefinite articles are used in the description or in the claims, this also applies to the plural of these elements, unless the overall context clearly indicates otherwise.
Die
Die
Solch ein leitfähiges Festkörper-Material ist z.B. in Form von Bonddrähten als Handelsware aus der Halbleiter-Industrie bekannt. Sie enthalten vorzugsweise wenigstens eines der Materialien Gold, Silber, Kupfer, Platin, Palladium, Aluminium, als auch ein oder mehrere dieser Metalle enthaltende Legierungen. Übliche Durchmessern liegen im Bereich ab 0,01 mm bis ca. 0,5 mm. Welcher Draht vorzugsweise verwendet wird, hängt von den zu erzielenden Eigenschaften wie Stromleitfähigkeit, Elastizität/Biegefestigkeit, Lötfähigkeit mit welchem Lot-Typ oder auch der Benetzbarkeit mit dem umhüllenden Isolationswerkstoff ab.Such a conductive solid material is known, for example, in the form of bonding wires as a commodity from the semiconductor industry. They preferably contain at least one of the materials gold, silver, copper, platinum, palladium, aluminum and alloys containing one or more of these metals. Usual diameters are in the range from 0.01 mm to approx. 0.5 mm. Which wire is preferably used depends on the properties to be achieved, such as electrical conductivity, elasticity/bending strength, solderability with which type of solder or also the wettability with the enveloping insulating material.
Über die Lotaustragseinheit 32 wird über die Lotaustragsdüse 36 Lot vorzugsweise ebenfalls tropfenweise zugeführt, wenn dies zum Anschluss oder zur Verbindung von Abschnitten 14 der Leiterbahn 16 über Schichten hinweg erforderlich ist oder andere Lotverbindungen z.B. zu elektronischen Bauteilen 28 erwünscht sind (
Ergänzend kann eine weitere Austragseinheit 26 vorgesehen sein, über die ein weiteres Baumaterial und/oder ein Stützmaterial dem im Bauraum 42 aufgebauten dreidimensionalen Gegenstand 10 zugeführt wird.In addition, a
Mit der in
- Zunächst wird ein schichtweiser Aufbau des dreidimensionalen Gegenstandes 10 in
Schichten 12 bereitgestellt. Dabei können die Schichten innerhalb des Gegenstands 10 beliebig gewählt werden, was auch eine erhöhte Gestaltungsfreiheit für die Lage der imGegenstand herzustellenden Leiterbahnen 16 und/oder die Positionvon elektronischen Bauteilen 28 innerhalb des dreidimensionalen Gegenstandes 10 gestattet. Mit der Drahtzuführung 24 wird ein leitfähiger,langgestreckter Abschnitt 14einer Leiterbahn 16 aus einem Festkörper-Material, vorzugsweise ein Draht, innerhalb einer Schicht 12 des schichtweisen Aufbaus ausgebracht. Durch die Anordnung der Drahtzuführung in vorzugsweise geometrisch feststehendem Verhältnis zur Austragsdüse 22der Austragseinheit 34 für das nicht leitfähige Material kann mit dem Ausbringen des leitfähigen Abschnitts 14 ein Einbetten des Abschnitts in das nicht leitfähige Material erfolgen, wie dies z.B. in3 dargestellt ist.
- First, a layered structure of the three-
dimensional object 10 is provided inlayers 12 . The layers within theobject 10 can be selected as desired, which also allows increased design freedom for the position of the conductor tracks 16 to be produced in the object and/or the position ofelectronic components 28 within the three-dimensional object 10. With thewire feeder 24, a conductive,elongated portion 14 of aconductor track 16 made of a solid material, preferably a wire, is deposited within alayer 12 of the layered structure. By arranging the wire feed in a preferably geometrically fixed relationship to thedischarge nozzle 22 of thedischarge unit 34 for the non-conductive material, the section can be embedded in the non-conductive material when theconductive section 14 is removed, as is the case, for example, in3 is shown.
In
Im Ausführungsbeispiel der
Das nicht leitfähige Material wird vorzugsweise gleichzeitig mit dem Abschnitt 14 der Leiterbahn 16 aus der Austragsdüse 22 ausgebracht und ummantelt dabei den Abschnitt 14 der Leiterbahn 16 in der Schicht 12, so dass sich ein Bild gemäß
Wie beim Einbetten von Fasern bekannt, wird beim Herstellen des dreidimensionalen Gegenstands 10 das Volumen der zugeführten Leiterbahn 16 berücksichtigt, indem das Volumen des nicht leitfähigen Materials, wie z.B. des Tropfens 20, der in
In Tests wurde ein Draht mit einem Durchmesser von 0,1 mm verwendet, was in etwa einer halben Schichtdicke entspricht. Nach den bisherigen Erfahrungen ist dies ein Wert, der eine gute Einbettung in eine Schicht erlaubt.In tests, a wire with a diameter of 0.1 mm was used, which corresponds to about half a layer thickness. Based on previous experience, this is a value that allows good embedding in a layer.
Vorzugsweise wird das nicht leitfähige Material zum Ummanteln des leitfähigen Abschnitts 14 der Leiterbahn in Form von Tropfen 20 ausgebracht. Grundsätzlich ist auch ein Ausbringen von Strängen möglich, sofern dies das gewünschte unmittelbare Ummanteln des leitfähigen Abschnitts 14 gestattet.The non-conductive material for coating the
Für ein Ummanteln ist es nicht erforderlich, dass der leitfähige, langgestreckte Abschnitt als Leiterbahn 16 in der einen Schicht 12 genau in der Mitte der Schicht zu liegen kommt, wie dies in
Ebenso lassen sich auch gekrümmte Leiterbahnen 16 in z-Richtung gestalten. Benennen wir die Ebene einer Schicht als eine x-y-Ebene, so kann in der dritten Dimension, also in z-Richtung über das leitfähige, fluide, sich verfestigende Material 18, wie insbesondere Lot, eine Verbindung zwischen übereinanderliegenden Schichten 12 in Richtung z gebildet werden. Ausgehend von diesem Punkt kann in den darüberliegenden Schichten auch nur mit einem Lottropfen eine Leiterbahn 16 in Richtung z oder in einem Winkel oder gar mit einer Krümmung gebildet werden. Dies wird unten an Hand der
Das Ausbringen des Abschnitts 14 der Leiterbahn 16 erfolgt gleichzeitig mit dem Aufbau der jeweiligen Schicht 12 des Gegenstandes 10. Dabei bewegt sich die jeweilige Schicht 12 und damit der dreidimensionale Gegenstand 10 relativ zur feststehenden Austragsdüse 22, das heißt, die Schicht kann auch relativ dazu orientiert werden. Durch die Austragsdüse 22 wird das nicht leitfähige Material ausgebracht, wobei die Drahtzuführung 24 in einem feststehenden geometrischen Verhältnis zur Austragsdüse 22 angeordnet wird. Die Anordnung des Gegenstandes 10 bzw. der Bauplatte 38 z.B. auf einem Sechs-Achs-Roboter ermöglicht eine beliebe Anordnung der Schichten 12 im Gegenstand unabhängig von der x-y-Ebene des Bauraums, so dass die Leiterbahnen 16 und/oder elektronischen Bauteile 18 beliebig im Gegenstand angeordnet werden können.The
Vorzugsweise kann ein weiteres Material als Stütz- oder Baumaterial aus der weiteren Austragseinheit 26 dem dreidimensionalen Gegenstand 10 beim Aufbau zugeführt werden.Preferably, another material as a support or building material from the
Der Durchmesser des Abschnitts 14 der Leiterbahn 16 wird vorzugsweise so dimensioniert, dass er in einer Reihe von Tropfen 20 ummantelt wird, indem der Durchmesser etwa das 0,2 bis 0,5-fache eines Tropfendurchmessers aufweist. Dies entspricht bei einem Tropfendurchmesser von 0,1 bis 0,3 mm einem Durchmesser der Leiterbahn 16 von etwa 0,02 bis 0,15 mm.The diameter of the
Durch das Ummanteln in einer Reihe von Tropfen und damit innerhalb einer Schicht 12 lassen sich Abschnitte 12 auf verschiedener Leiterbahn 16 in benachbarten Schichten vorzugsweise so anordnen, dass sie sich in einer Vertikalprojektion kreuzen. Ebenso können in einer Schicht 12 in nebeneinanderliegenden Tropfenreihen Leiterbahnen 16 angeordnet werden. Diese Leiterbahnen können auch ein unterschiedliches Potenzial führen, da sie elektrisch durch das nicht leitfähige Material, wie z.B. Polycarbonat, PA, PES oder ein ähnliches Material ummantelt sind, das die elektrischen Anforderungen in Bezug auf Isolationsfähigkeit und Temperaturbeständigkeit erfüllt.By being encapsulated in a series of drops and thus within a
Vorzugsweise wird als leitfähiges, fluides, sich verfestigendes Material 18 Lot und/oder als Abschnitt 14 der Leiterbahn 16 ein entsprechend dünner Draht verwendet.Solder and/or a correspondingly thin wire is preferably used as the conductive, fluid, solidifying
Im dreidimensionalen Gegenstand können auch elektronische Bauteile 28 integriert werden. Dies erfolgt dadurch, dass zunächst z.B. Räume innerhalb des schichtweisen Aufbaus baufrei bleiben, das heißt frei bleiben. In diese Baulücken können elektronische Bauteile 28 bestückt werden und diese dann anschließend mit dem Abschnitt 14 der Leiterbahn 16 elektrisch verbunden werden.
Dieses Verbinden kann je nach Bauteil z.B. nur durch einen Tropfen Lot, also durch das leitfähige, fluide, sich verfestigende Material erfolgen. Da diese Prozesse aus anderen Verfahren hinlänglich bekannt sind, kann eine zuverlässige, dauerhafte und temperaturstabile Verbindung im Rahmen einer additiven Fertigung sichergestellt werden.Depending on the component, this connection can only be done with a drop of solder, i.e. with the conductive, fluid, solidifying material. Since these processes are well known from other methods, a reliable, permanent and temperature-stable connection can be ensured within the framework of additive manufacturing.
Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in
Die
Dadurch können mit geringstem Abstand - gleichzusetzen mit einer hohen Integrationsdichte - Leiterbahnen in einem Gegenstand platziert werden. Leiterbahnen auch verschiedener Potenziale können sich so kreuzen.As a result, conductor tracks can be placed in an object with the smallest possible distance - equivalent to a high integration density. Conductor tracks of different potentials can also cross in this way.
Während in
Der so durch ein additives Verfahren hergestellte dreidimensionaler Gegenstand 10 lässt seinen Herstellungsprozess erkennen, zumindest wenn der Aufbau unter dem Mikroskop betrachtet wird. Erkennbar sind dabei übereinanderliegende Schichten 12. Im dreidimensionalen Gegenstand 10 sind innerhalb jeweils einer Schicht 12 leitfähige, langgestreckte Abschnitte 14 von Leiterbahnen 16 aus einem Festkörper-Material wie Draht angeordnet. Der leitfähige Abschnitt 14 ist nicht nur in ein nicht leitfähiges Material eingebettet, sondern von diesem ummantelt, wobei erkennbar ist, dass es sich dabei um das Ummanteln innerhalb der Schicht 12 handelt.The three-
Zudem ist die Leiterbahn 16 zumindest endständig mit einem leitfähigen Material vorzugsweise durch das leitfähige, fluide, sich verfestigende Material 18 kontaktiert. Zumindest dort ist ein leitfähiger Übergang zur nächsten Schicht 12 des Gegenstands 10 vorgesehen. Grundsätzlich ist solch ein Übergang aber auch an anderer Stelle des Abschnitts 14 der Leiterbahn 16 möglich.In addition, the
Vorzugsweise ist der Abschnitt 14 der Leiterbahn 16 von einer Reihe von Tropfen 20 aus nicht leitfähigem Material ummantelt, die so ausgestaltet ist, dass ein Tropfen 20 den Abschnitt 14 der Leiterbahn 16 in sich aufnimmt und diesen vom leitfähigen, langgestreckten Abschnitt 14 in der Mitte radial nach außen umgibt.Preferably,
Die Schichten 12 sind durch Reihen aneinander liegender Tropfen 20 hergestellt und gebildet. Erkennbar sind übereinanderliegende Schichten 12 aus Reihen von Tropfen 20. Im dreidimensionalen Gegenstand 10 sind innerhalb der Tropfen und damit auch innerhalb jeweils einer Schicht 12 leitfähige, langgestreckte Abschnitte 14 der Leiterbahnen 16 angeordnet.The
Vorzugsweise ist das nicht leitfähige Material eine Reihe von Tropfen oder auch ein strangförmiges Material. Der Durchmesser des Abschnitts 14 der Leiterbahn 16, also des Drahts, wird so dimensioniert, dass er in der Reihe von Tropfen 20 zuverlässig ummantelt wird. Dazu beträgt sein Durchmesser etwa das 0,2 bis 0,5-fache eines Tropfendurchmessers.Preferably, the non-conductive material is a series of droplets or a strand of material. The diameter of
Im dreidimensionalen Gegenstand 10 sind auch Abschnitte gegebenenfalls auch verschiedener Leiterbahnen 16 in übereinander liegenden Schichten 12, falls gewünscht, so angeordnet, dass sie sich in einer Vertikalprojektion kreuzen. Ebenso können in einer Schicht 12 in nebeneinanderliegenden Reihen von Tropfen 20 Leiterbahnen 16 auch mit unterschiedlichem Potenzial angeordnet werden.In the three-
Im dreidimensionalen Gegenstand 10 können auch elektronische Bauteile 28 integriert sein, wobei am fertigen Gegenstand zu erkennen ist, dass diese in baufreie Räume bestückt wurden und damit in den dreidimensionalen Gegenstand 10 integriert wurden. Das elektronischen Bauteil 28 ist dort über Anschlüsse aus dem leitfähigen, fluiden, sich verfestigenden Material 18 kontaktierend mit der Leiterbahn 16 und dem Abschnitt 14 elektrisch verbunden.
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- dreidimensionaler Gegenstandthree-dimensional object
- 1212
- Schichtlayer
- 1414
- AbschnittSection
- 1616
- Leiterbahntrace
- 1818
- leitfähiges, sich verfestigendes Materialconductive solidifying material
- 2020
- Tropfendrops
- 2222
- feststehende Austragsdüsefixed discharge nozzle
- 2424
- Drahtzuführungwire feeder
- 2626
- weitere Austragseinheitfurther discharge unit
- 2828
- elektronisches Bauteilelectronic component
- 3030
- Sechs-Achs-RoboterSix-axis robot
- 3232
- Lotaustragseinheitsolder discharge unit
- 3434
- Austragseinheitdischarge unit
- 3636
- Lotaustragsdüsesolder discharge nozzle
- 3838
- Bauplattebuild plate
- 4242
- Baurauminstallation space
- P1, P2P1, P2
- LeiterDirector
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 2020/0223213 A1 [0004]US 2020/0223213 A1 [0004]
- EP 2860021 A1 [0005]EP 2860021 A1 [0005]
Claims (14)
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DE102021127700.0A DE102021127700A1 (en) | 2021-10-25 | 2021-10-25 | Additive manufacturing process for producing a three-dimensional object and object produced therewith |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE102021127700.0A DE102021127700A1 (en) | 2021-10-25 | 2021-10-25 | Additive manufacturing process for producing a three-dimensional object and object produced therewith |
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---|---|
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DE102021127700.0A Granted DE102021127700A1 (en) | 2021-10-25 | 2021-10-25 | Additive manufacturing process for producing a three-dimensional object and object produced therewith |
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---|---|
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-
2021
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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