DE102023000785B3

DE102023000785B3 - 3D-Tintendruckverfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Leiterkörper und einem Isolationskörper und mit dem Verfahren hergestelltes Bauteil

Info

Publication number: DE102023000785B3
Application number: DE102023000785.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Hehn; Felix Zimmer; Jens Holtmannspötter; Erfinder auf Antrag nicht genannt. Weitere(r)
Original assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Current assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Priority date: 2022-11-10
Filing date: 2023-03-02
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2043-03-03
Also published as: US20240161946A1

Abstract

Ein 3D-Tintendruckverfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Leiterkörper und einem hieran angrenzenden Isolationskörper soll so ausgebildet werden, dass der Leiterkörper eine im Gigahertzbereich geringe Impedanz aufweist.Hierzu weist das 3D-Tintendruckverfahren folgende Merkmale auf:a) das Verfahren verwendet einen 3D-Tintenstrahldrucker mit einem ersten Druckkopf zum Ausdrucken einer verfestigbaren, leitenden, ersten Tinte zur Bildung des Leiterkörpers (10) und einen zweiten Druckkopf zum Ausdrucken einer nichtleitenden, verfestigbaren, zweiten Tinte zur Bildung des Isolationskörpers (20),b) mit den Verfahrensschritten,c) dass der Leiterkörper (10) aus leitenden Schichtblöcken (BL1, BL2) gebildet wird, derart, dass jeder leitende Schichtblock (BL1, BL2) aus 2 bis 16 leitenden Schichten (SL1, SL2...) besteht, dass diese leitenden Schichten (SL1, SL2...) als Block aufeinander folgend hergestellt werden und dass jede einzelne dieser leitenden Schichten (SL1, SL2...) erhalten wird durch Drucken mit der ersten Tinte und anschließendem Verfestigen, undd) dass der Isolationskörper (10) aus nichtleitenden Schichtblöcken (BN1, BN2) gebildet wird, derart, dass jeder nichtleitende Schichtblock (BN1, BN2) aus 2 bis 16 nichtleitenden Schichten (SN1, SN2...) besteht, dass diese nichtleitenden Schichten (SN1, SN2...) als Block aufeinander folgend hergestellt werden und dass jede einzelne dieser nichtleitenden Schichten (SN1, SN2...) erhalten wird durch Drucken mit der zweiten Tinte und anschließendem Verfestigen,e) wodurch eine glatte Außenfläche des Leiterkörpers (10) mit niedriger HF-Impedanz erhalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein 3D-Tintenstrahldruckverfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Leiterkörper und einem Isolationskörper. Ferner betrifft die Erfindung ein mit dem Verfahren hergestelltes Bauteil. Aus Gründen der Einfachheit wird in der Anmeldung bezüglich des Leiterkörpers und des Isolationskörpers in der Einzahl gesprochen, was die Mehrzahl mit umfasst und nicht ausschließen soll.
Ein bekanntes (https://www.nano-di.com/ame-materials) 3D-Tintendruckverfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Leiterkörper und einem hieran angrenzenden Isolationskörper weist folgende Merkmale auf:

Das Verfahren verwendet einen 3D-Tintenstrahldrucker mit einem ersten Druckkopf zum Ausdrucken einer verfestigbaren, leitenden, ersten Tinte zur Bildung des Leiterkörpers und einen zweiten Druckkopf zum Ausdrucken einer nichtleitenden, verfestigbaren, zweiten Tinte zur Bildung des Isolationskörpers. Beim bekannten Tintenstrahldruckverfahren wird das Bauteil mit einem Leiterkörper und einem Isolationskörper aus einzelnen Schichten aufgebaut. Eine Schicht wird erhalten, indem eine Tinte sowohl ausgedruckt als auch verfestigt wird. Aufeinander folgend werden Schicht für Schicht aufgetragen. Der Ablauf ist wie folgt:
1. a) Mit der ersten Tinte wird der leitende Bereich einer Schicht gedruckt.
2. b) Die gedruckte Tinte des leitenden Bereiches wird verfestigt.
3. c) Mit der zweiten Tinte wird der nichtleitende Bereich der Schicht gedruckt.
4. d) Die gedruckte Tinte des nichtleitenden Bereiches wird verfestigt.
5. e) Anfahren einer neuen z-Position.
6. f) Entsprechend weiter mit a), bis das Bauteil fertiggestellt ist.

Die erste Tinte und die zweite Tinte werden in einer einzelnen Schicht in den jeweilig vorgesehenen Bereichen aufgebracht. Durch das Übereinanderlegen der einzelnen Schichten entsteht ein Bauteil mit einem 3D-angeordneten Leiterkörper und Isolationskörper. Mit Nachteil erhält man eine gezackte Außenfläche des Leiterkörpers. Eine gezackte Außenfläche wirkt sich aufgrund des Skin-Effektes nachteilig auf das Hochfrequenzverhalten aus, weil die Impedanz dadurch stark erhöht ist. Ein Grund, warum die Oberfläche gezackt ist, liegt darin, weil die erste Tinte und die zweite Tinte ein gutes Benetzungsverhalten aufweisen. Es bilden sich kleine Kontaktwinkel aus. Die ausgedruckten Tintentropfen sind breit und flach. An der Grenzfläche von leitfähigem zu nichtleitfähigem Material entstehen durch die wechselseitigen Überlappungen eine gezackte Grenzfläche. Dadurch nimmt der Leiterkörper eine tannenbaum-ähnliche Struktur an. Der Skin-Effekt verursacht im tannenbaum-ähnlichen Leiterkörper bereits ab einem GHz einen erheblichen Impedanz-Anstieg.
Die US 8 147 903 B2 zeigt ein 3D-Tintendruckverfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Leiterkörper und einem Isolationskörper mit den Merkmalen a) bis d) des Anspruches 1.
Die US 9 596 758 B2 , die JP 2003- 318 133 A und die US 2003 / 0 159 783 A1 zeigen jeweils ein 3D-Tintendruckverfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Leiterkörper und einem Isolationskörper mt den Merkmalen a) bis c) des Anspruches 1.
Die US 9 272 512 B2 zeigt ein Tintendruckverfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Leiterkörper und einem Isolationskörper. Im Vordergrund steht der Umgang mit verstopfen Tintendruckdüsen.
Die US 2007 / 0 087 564 A1 zeigt ein Tintendruckverfahren zur Herstellung eines Solarpanels mit einem Leiterkörper und einem Isolationskörper.
Die US 2009 / 0 130 298 A1 betrifft das Gebiet der digitalen Lithographie und zeigt ein 3D-Tintendruckverfahren zum Aufbringen einer Maske mit Schichtblöcken unter Erhalt von dazwischenliegenden Kanälen. Die Maske wird auf ein Substrat aufgetragen. Das erhaltene Bauteil wird dann weiter bearbeitet. Beispielsweise werden leitende Kupferbahnen in die gebildeten Kanäle einplattiert. Ein 3D-Tintenstrahldrucker mit einem Druckkopf druckt zur Ausbildung der Schichtblöcke eine verfestigbare Tinte aus. Jeder Schichtblock besteht aus mehreren Schichten. Jede Schicht wird erhalten durch Drucken mit der Tinte und anschließendem Verfestigen. Im Randbereich zu den Kanälen werden
aufeinander folgende Tintentropfen einer jeweiligen Schicht nach Vorgabe eines Steuerungsprogramms unter einem jeweiligen Versatz angeordnet, um eine steile Wandung, wie eine senkrecht zur Ebene des Substrats stehende Wandung, zu erhalten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein 3D-Tintendruckverfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Leiterkörper und einem hieran angrenzenden Isolationskörper so auszubilden, dass der Leiterkörper eine im Gigahertzbereich geringe Impedanz aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des auf ein Verfahren gerichteten Anspruches 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs 5 gelöst, der auf ein hergestelltes Bauteil gerichtet ist.
Die Vorteile der Erfindung beruhen darauf,

• dass der Leiterkörper aus leitenden Schichtblöcken gebildet wird, derart, dass jeder leitende Schichtblock aus 2 bis 16, vorzugsweise 4 bis 16 leitenden Schichten besteht, dass diese leitenden Schichten als Block aufeinander folgend hergestellt werden und dass jede einzelne dieser leitenden Schichten erhalten wird durch Drucken mit der ersten Tinte und anschließendem Verfestigen, und
• dass der Isolationskörper aus nichtleitenden Schichtblöcken gebildet wird, derart, dass jeder nichtleitende Schichtblock aus 2 bis 16, vorzugsweise 4 bis 16 nichtleitenden Schichten besteht, dass diese nichtleitenden Schichten als Block aufeinander folgend hergestellt werden und dass jede einzelne dieser nichtleitenden Schichten erhalten wird durch Drucken mit der zweiten Tinte und anschließendem Verfestigen.

Aufgrund der Schichtblöcke wird eine glatte Außenfläche des Leiterkörpers mit einer niedriger HF-Impedanz erhalten. Eine kleinmaßstäbliche Verzahnung nach Art eines Zick-Zack-Profils zwischen den einzelnen benachbarten, leitenden und nichtleitenden Schichten wird deutlich reduziert. Mit einer modifizierten Software zur Druckvorbereitung konnte dieser Effekt an einem realen Bauteil nachgewiesen werden. Die geometrische Form der Außenfläche des Leiterkörpers ist maßgeblich abhängig

• von den Eigenschaften der Tinte des zuerst hergestellten Schichtblocks allgemein,
• speziell von der Fähigkeit dieser Tinte, eine möglichst steile und glatte Wandung ausbilden zu können, und
• von den gewählten Druckparametern.

Aufeinander folgende Tintentropfen einer jeweiligen Schicht eines zuerst ausgedruckten Schichtblocks werden mindestens im angrenzenden Randbereich zu einem im Anschluss hieran auszudruckenden Schichtblock nach Vorgabe eines Steuerungsprogramms unter einem jeweiligen Versatz angeordnet.
Durch den vorbestimmten Versatz der aufeinander folgenden Tintentropfen wird der Ausbildung einer möglichst steilen und glatten Wandung Rechnung getragen. Eine großmaßstäbliche Verzahnung nach Art eines Zick-Zack-Profils zwischen den einzelnen benachbarten, leitenden und nichtleitenden Schichten wird deutlich verringert. Der zuerst ausgedruckte Schichtblock bildet eine Form für den im Anschluss auszudruckenden Schichtblock, so dass der zuerst ausgedruckte Schichtblock die Glätte und Steilheit der angrenzenden Wandung des im Anschluss hieran auszudruckenden Schichtblocks vorgibt.
Der durch das Steuerungsprogramm vorgegebene Versatz der Tropfen wurde bestimmt durch eine vorangegangene numerische Simulation auszudruckender Tintentropfen. Durch die Simulation werden Werte des Versatzes bestimmt, die eine möglichst steile und glatte Wandung ergeben
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die erste Tinte eine Metallpartikel-Suspension und die zweite Tinte ein Photopolymer. Bei Verwendung dieser Art Tinten wird zuerst ein nichtleitender Schichtblock mit der zweiten Tinte gedruckt und anschließend ein angrenzender, elektrisch leitender Schichtblock mit der ersten Tinte. Denn das Polymer bildet eine glatte Oberfläche aus. Deshalb wird zuerst der nichtleitende Block fertiggestellt. Ein schlechteres, aber immer noch brauchbares Ergebnis würde man dagegen erzielen, würde man zuerst einen leitender Schichtblock mit der ersten Tinte drucken. Denn die leitfähigen Partikel in der Suspension unterliegen während der Trocknung dem Marangoni-Effekt, bei dem die Partikel sich im Randbereich sammeln. Der Marangoni-Effekt führt zu einer Oberflächenrauhigkeit.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der aus leitenden Schichtblöcken gebildete Leiterkörper einen oberen leitenden Schichtblock auf, der mit einem oberen angrenzenden, nichtleidenden Schichtblock des Isolationskörpers bündig abschließt. Der bündige Abschluss sorgt für eine Plattform für die folgenden Schichten. Dies ist von Bedeutung, wenn leitende und nichtleitende Schichtblöcke einen Versatz aufweisen.
Bevorzugt ist jedoch gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, wenn die Anzahl der leitenden Schichten eines leitenden Schichtblocks gleich der Anzahl der nichtleitenden Schichten des angrenzenden, nichtleitenden Schichtblocks ist. Dies vereinfacht eine Programmierung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Bauteil ein HF-Bauteil mit einem Leiterkörper und einem Isolationskörper, bei dem der Leiterkörper eine Seele einer Koaxialleitung ist. Bei diesem Bauteil ist die erzielte geringe Impedanz besonders wichtig.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 einen ersten, anfänglichen Abschnitt eines ersten Bauteils mit einem Leiterkörper und einem Isolationskörper, als Prinzipskizze im Schnitt;
2 ein zweites Bauteil mit einem Leiterkörper und einem Isolationskörper, als Ausschnitt und als Prinzipskizze mit Schnitten;
3 ein Diagramm eines Zwischenergebnisses von nummerischen Optimierungssimulationen auszudruckender Tintentropfen, bei dem über die x- und z-Achse des Druckers die einzelnen simulierten Tintentropfen im Schnitt dargestellt sind;
4 ein Diagramm eines Endergebnisses von nummerischen Optimierungssimulationen auszudruckender Tintentropfen, bei dem über die x- und z-Achse des Druckers die einzelnen simulierten Tintentropfen im Schnitt dargestellt sind;
5 einen ersten anfänglichen Abschnitt eines dritten Bauteils mit einem Leiterkörper und einem Isolationskörper, jedoch nach dem Stand der Technik, als Prinzipskizze im Schnitt;
6 eine Einzelheit eines Schnittes eines vierten Bauteils mit einem Leiterkörper und einem Isolationskörper, ebenfalls nach dem Stand der Technik, als Schliffbild.

Ohne zunächst Bezug zu nehmen auf die Zeichnungen, betreffen alle Ausführungen ein 3D-Tintendruckverfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Leiterkörper und einem hieran angrenzenden Isolationskörper.
Das Verfahren verwendet einen 3D-Tintenstrahldrucker mit einem ersten Druckkopf zum Ausdrucken einer verfestigbaren, leitenden, ersten Tinte zur Bildung des Leiterkörpers und einen zweiten Druckkopf zum Ausdrucken einer nichtleitenden, verfestigbaren, zweiten Tinte zur Bildung des Isolationskörpers. Eine einzelne Schicht wird erhalten durch Drucken mit einer Tinte und durch ein anschließendes Verfestigen.
Die erste, leitende Tinte ist in den Beispielen eine Metallpartikel-Suspension. Die Metallpartikel sind Silber-Nanopartikeln, welche in einem Lösemittel als Suspension vorliegen. Nach dem Auftragen der Tinte wird mit einer Infrarotlampe zunächst das Lösemittel abgedampft und anschließend die Schüttung aus den Silber-Partikeln versintert. Die mindestens teilversinterte Struktur stellt den leitfähigen Teil der gedruckten Elektronik dar.
Die zweite nichtleitende Tinte ist eine lichtaushärtende Polymerlösung. Die zweite Tinte weist Monomere auf, welche durch eine ultraviolette Strahlung zum Polymerisieren angeregt werden. Es entsteht ein Duroplast, der als isolierendes Material wirkt.
Die 1 illustriert einen ersten, anfänglichen Abschnitt eines ersten Bauteils 1 mit einem Leiterkörper 10 und einem Isolationskörper 20. Der anfängliche Leiterkörper 10 ist aus dem leitenden Schichtblock B_L1 gebildet. Dieser elektrisch leitende Schichtblock B_L1 besteht aus genau 4 leitenden Schichten. Die leitenden Schichten werden als Block aufeinander folgend hergestellt. Jede einzelne dieser leitenden Schichten S_L1, S_L2, S_L3 und S_L4 wird erhalten durch Drucken mit der ersten Tinte und anschließendem Verfestigen.
Der anfängliche Isolationskörper 20 ist aus dem nichtleitenden Schichtblock B_N1 gebildet. Dieser nichtleitende Schichtblock B_N1 besteht ebenso aus 4 nichtleitenden Schichten. Die nichtleitenden Schichten S_N1, S_N2, S_N3 und S_N4 werden als Block aufeinander folgend hergestellt. Jede einzelne dieser nichtleitenden Schichten wird erhalten durch Drucken mit der zweiten Tinte und anschließendem Verfestigen. Es wird eine glatte Außenfläche des Leiterkörpers 10 mit niedriger HF-Impedanz erhalten, weil durch die Blockbildung eine Verzahnung stark reduziert ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die erste Tinte eine Metallpartikel-Suspension und die zweite Tinte umfasst ein Photopolymer. Eine glatte Außenoberfläche des Leiterkörpers erhält man, wenn zuerst der nichtleitende Schichtblock B_N1 mit der zweiten Tinte gedruckt wird und anschließend der angrenzende elektrisch leitender Schichtblock B_L1 mit der ersten Tinte. Denn das Photopolymer bildet eine sehr glatte Oberfläche aus. Diese sehr glatte Oberfläche ist formgebend für die Außenoberfläche des Leiterkörpers.
2 illustriert ein zweites Bauteil 1 mit einem Leiterkörper 10 und einem Isolationskörper 20. Der Leiterkörper 10 ist gebildet aus leitenden Schichtblöcken B_L1 und B_L2. Jeder leitende Schichtblock B_L1 und B_L2 besteht aus 4 leitenden Schichten S_L3 bis S_L6 und S_L7 bis S_L10. Die leitenden Schichten wurden als Block aufeinander folgend hergestellt. Jede einzelne dieser leitenden Schichten S_L3 bis S_L6 und S_L7 bis S_L10 wurde erhalten durch Drucken mit der ersten Tinte und anschließendem Verfestigen. Der Isolationskörper 10 ist aus nichtleitenden Schichtblöcken B_N1 und B_N2 gebildet. Jeder nichtleitende Schichtblock B_N1 und B_N2 besteht aus 4 nichtleitenden Schichten S_N3 bis S_N6 und S_N7 bis S_N10. Die nichtleitenden Schichten S_N3 bis S_N6 und S_N7 bis S_N10 wurden als Block aufeinander folgend hergestellt. Jede einzelne dieser nichtleitenden Schichten wurde erhalten durch Drucken mit der zweiten Tinte und anschließendem Verfestigen. Durch die Blockbildung wird eine glatte Außenfläche des Leiterkörpers 10 mit niedriger HF-Impedanz erhalten.
2 illustriert ferner, dass der aus leitenden Schichtblöcken B_L1 und B_L2 gebildete Leiterkörper 10 einen oberen leitenden Schichtblock B_L2 aufweist, der mit einem oberen angrenzenden, nichtleidenden Schichtblock B_N2 des Isolationskörpers 20 bündig abschließt. Dadurch bildet sich eine definierte Plattform für darauffolgende Schichten.
2 illustriert ferner, dass die Anzahl der leitenden Schichten S_L3 bis S_L6 und S_L7 bis S_L10 eines leitenden Schichtblocks B_L1, B_L2 gleich der Anzahl der nichtleitenden Schichten S_N3 bis S_N6 und S_N7 bis S_N10 des angrenzenden, nichtleitenden Schichtblocks B_N1 und B_N2 ist. Dies erleichtert die Programmierung.
Durchgeführte Schnitte an hergestellten Bauteil-Prototypen ergaben, dass man mit den vorgenannten Maßnahmen bereits eine ausreichend glatte Außenfläche des Leiterkörpers mit einer niedrigen HF-Impedanz erhält. Die Außenfläche des Leiterkörpers lässt im Hinblick auf eine niedrige HF-Impedanz noch weiter zu optimieren, wenn man nicht Tintentropfen für Tintentropfen genau übereinander druckt, sondern versetzt zueinander druckt. Hierzu wurde nummerisch der Druck der einzelnen Tintentropfen simuliert.
Bei dieser Simulation wurden aufeinander liegende Tintentropfen mit jeweils mit einem Versatz zueinander gedruckt. Dieser Versatz wurde variiert mit dem Ziel, eine möglichst steile und glatte Wandung unter deutlicher Reduzierung einer großmaßstäblichen Zack-Bildung zu erhalten.
Das Verfahren sieht vor, dass aufeinander folgende Tintentropfen einer jeweiligen Schicht eines zuerst ausgedruckten Schichtblocks mindestens im angrenzenden Randbereich zu einem im Anschluss hieran auszudruckenden Schichtblock nach Vorgabe eines Steuerungsprogramms unter einem jeweiligen Versatz angeordnet werden.
Das Verfahren sieht ferner vor, dass der durch das Steuerungsprogramm vorgegebene jeweilige Versatz der aufeinander folgende Tintentropfen bestimmt wurde durch eine vorangegangene numerische Optimierungssimulation ausgedruckter Tintentropfen.
Hierzu zeigt 3 ein Diagramm eines Zwischenergebnisses von nummerischen Optimierungssimulationen auszudruckender Tintentropfen, bei dem über die x- und z-Achse des Druckers die einzelnen simulierten Tintentropfen T'₁, T'₂, T'₃, T'₄ illustriert sind.
4 zeigt ein Diagramm eines Endergebnisses von nummerischen Optimierungssimulationen auszudruckender Tintentropfen, bei dem über die x- und z-Achse des Druckers die einzelnen simulierten Tintentropfen T₁, T₂, T₃, T₄ jeweils im Schnitt dargestellt sind. In 4 ist beispielhaft der Versatz V zwischen den Tintentropfen T₂ und T₃ eingezeichnet.
Der Versatz V der Tintentropfen oder anders ausgedrückt der Versatz der Positionen der Tintentropfen ermöglicht die Ausbildung einer besonders steilen Grenzfläche zwischen leitfähigem und nichtleitfähigem Material. Hierzu wird die Position der Tintentropfen in Richtung der Normalen zur vorgenannten Grenzfläche um Bruchteile des Tropfendurchmessers verändert. Im vorliegenden Beispiel ist dies die x-Richtung. Ferner ist im vorliegenden Beispiel die tangentiale Richtung der Grenzfläche die y-Richtung und die Aufbaurichtung die z-Richtung.
Anwendungsgebiete des Verfahrens liegen in der Herstellung von HF-Bauteilen mit einem Leiterkörper und einem Isolationskörper. Bei dem HF-Bauteil kann der Leiterkörper eine Seele einer Koaxialleitung sein.
Nachfolgend wird auf die Dimensionierung der Schichthöhe eingegangen. In dem Ausführungsbeispiel besteht ein Schichtblock aus genau 4 Schichten. Typische industrielle Tintenstrahldrucker haben eine horizontale Auflösung von 600 dpi (Digits per Inch). Mit 1 Inch = 25.4 mm ergibt sich, dass die Voxel einen Punktabstand l aufweisen von: $l = \frac{25.4 \frac{m m}{i n c h}}{600 \frac{1}{i n c h}} = 42.3 μ m$
Mit einer üblichen Schichthöhe von ca. 10,6 µm ergibt sich erleichternd, dass man mit einem Schichtblock zu 4 Schichten eine in alle Richtungen gleiche Auflösung erreicht. Daraus ergibt sich die vorteilhafte Höhe einer Schicht zu: $S c h i s c h t h \ddot{o} h e = \frac{42.3 μ m}{4 S c h i c h t e n} = 10.6 μ m p r o S c h i c h t$
Nachfolgend wird auf die Dimensionierung des in 4 illustrierten Versatzes V aufeinander folgender Tintentropfen T₂ und T₃ eingegangen. Ein Tintentropfen des verwendeten Druckers hat ein Volumen von 4 Picoliter. Dies entspricht einem Radius von ca. 10 µm. Mittels einer validierten numerischen Strömungssimulation wurde festgestellt, dass mit einem Versatz V des Tropfenmittelpunkts im Bereich von 15 bis 30 % des Radius des Tintentropfens ein besonders gutes Ergebnis erreicht wird. Die Validierung des Simulationsmodells erfolgte zum einen durch einen Vergleich mit der Literatur und zum anderen durch eine praktische Versuchsreihe am 3D-Drucker. Bei der praktischen Versuchsreihe wurde die Tropfenformen auf einer schiefen Ebene mittels Konfokalem Laserscanningmikroskop dreidimensional erfasst und mit der Simulation verglichen. Eine Analyse der Abweichungen ergab eine Formabweichung von unter 500 Nanometern, was weniger als 10 % der Tropfenhöhe entspricht. Der Wert eines Versatzes oder der Versatzposition eines Tintentropfens ist von einer Vielzahl von Parametern abhängig. Diese sind zum Beispiel der Kontaktwinkel, die dynamische Viskosität, die Wärmeleitfähigkeit, die Oberflächenspannung und die Temperatur der Tinte. Der Werte eines Versatzes ist auch abhängig von den Zusammensetzungen der Tinten und von den Druckereinstellungen.
In Abweichung zu den Ausführungsbeispielen können Modifikationen erfolgen. Beispielsweise kann die zweite, nichtleitende Tinte auch eine Keramiksuspension sein. Ferner könnte man, bei Verwendung einer anderen Zusammensetzung der Tinten, auch mit der ersten Tinte beginnen, wenn die erste Tinte eine glattere Oberfläche ergibt. Ebenso kann die Anzahl der Schichten pro Block variieren. Ein Block kann 2 bis 16, bevorzugt 4 bis 16 Schichten aufweisen.
5 und 6 zeigen den Stand der Technik. Dargestellt sind jeweils ein Teil eines Bauteils 1' mit einem Leiterkörper 10' und einem Isolationskörper 20'. 5 illustriert, dass an der Grenzfläche von leitfähigem zu nichtleitfähigem Material durch wechselseitige Überlappungen eine großmaßstäbliche gezackte Grenzfläche vorliegt. Daraus resultiert in Verbindung mit einer zusätzlich kleinmaßstäblichen gezackten Grenzfläche die tannenbaumähnliche Struktur des Leiterkörpers 10' in 6. Die stark gezackte Außenoberfläche des Leiterkörpers 10' bedingt eine hohe Impedanz im HF-Bereich.
Unter Verweis auf 5 sind die wechselseitigen Überlappungen bedingt durch folgenden Ablauf:

a) Mit der ersten Tinte wird der leitende Bereich S'_L1 der ersten Schicht gedruckt.
b) Die gedruckte Tinte des leitenden Bereiches S'_L1 der ersten Schicht wird verfestigt.
c) Mit der zweiten Tinte wird der nichtleitende Bereich S'_N1 der ersten Schicht gedruckt.
d) Die gedruckte Tinte des nichtleitenden Bereiches S'_N1 der ersten Schicht wird verfestigt.
e) Anfahren einer neuen z-Position.
f) Weiter entsprechend den vorgenannten Schritten, bis das Bauteil 1' fertiggestellt ist.

Die 6 zeigt ein vergrößertes Schliffbild des gedruckten Bauteils 1'. Die Aufnahme erfolgte nach einer Bearbeitung mit einem Ionenstrahl mit einem Konfokalen-Laser-Scanning-Mikroskop. Der Leiterkörper 10' ist hell dargestellt und der Isolationskörper 20' dunkel. Der Leiterkörper 10' besteht aus einer versinterten Silbernanopartikel-Suspension. Der nichtleitfähige Isolationskörper 20' besteht aus Photopolymer. Die Schnittebene ist eine x-z-Ebene. Die Aufbaurichtung ist die z-Richtung. Aus dem dargestellten Maßstab sind die Dimensionen und daraus wiederum die Stärke des Skin-Effekts ableitbar.
Bezugszeichenliste

1,1': Bauteil
10,10': Leiterkörper
20, 20': Isolationskörper
SL1, ..., S'L1, ...: jeweils eine leitende Schicht
SN1, ..., S'N1, ...: jeweils eine nichtleidende Schicht
S: Schicht allgemein, die sowohl leitend als auch nichtleitend sein kann
BL1, BL2: erster, zweiter leitender Schichtblock
BN1, BN2: erster, zweiter nichtleitender Schichtblock
T1, T2, T3, T4: jeweils ein Tintentropfen
T'1, T'2, T'3, T'4: jeweils ein Tintentropfen
V: Versatz

Claims

3D-Tintendruckverfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) mit einem Leiterkörper (10) glatter Außenfläche und niedriger HF-Impedanz und einem hieran angrenzenden Isolationskörper (20), mit folgenden Merkmalen: a) das Verfahren verwendet einen 3D-Tintenstrahldrucker mit einem ersten Druckkopf zum Ausdrucken einer verfestigbaren, leitenden, ersten Tinte zur Bildung des Leiterkörpers (10) und einen zweiten Druckkopf zum Ausdrucken einer nichtleitenden, verfestigbaren, zweiten Tinte zur Bildung des Isolationskörpers (20), mit den Verfahrensschritten, b) dass der Leiterkörper (10) aus leitenden Schichtblöcken (B_L1, B_L2) gebildet wird, derart, dass jeder leitende Schichtblock (B_L1, B_L2) aus 2 bis 16 leitenden Schichten (S_L1, S_L2 ...) besteht, dass diese leitenden Schichten (S_L1, S_L2 ...) als Block aufeinander folgend hergestellt werden und dass jede einzelne dieser leitenden Schichten (S_L1, S_L2 ...) erhalten wird durch Drucken mit der ersten Tinte und anschließendem Verfestigen, und c) dass der Isolationskörper (10) aus nichtleitenden Schichtblöcken (B_N1, B_N2) gebildet wird, derart, dass jeder nichtleitende Schichtblock (B_N1, B_N2) aus 2 bis 16 nichtleitenden Schichten (S_N1, S_N2 ...) besteht, dass diese nichtleitenden Schichten (S_N1, S_N2 ...) als Block aufeinander folgend hergestellt werden und dass jede einzelne dieser nichtleitenden Schichten (S_N1, S_N2 ...) erhalten wird durch Drucken mit der zweiten Tinte und anschließendem Verfestigen, d) derart, dass aufeinander folgende Tintentropfen (T₁, T₂, T₃, T₄, T'₁, T'₂, T'₃, T'₄) einer jeweiligen Schicht (S) eines zuerst ausgedruckten Schichtblocks (B_N1, B_N2, B_L1, B_L2), der eine Form für den im Anschluss auszudruckenden Schichtblock (B_N1, B_N2, B_L1, B_L2) bildet, mindestens im angrenzenden Randbereich zu dem im Anschluss hieran auszudruckenden Schichtblock (B_L1, B_L2) nach Vorgabe eines Steuerungsprogramms unter einem jeweiligen Versatz (V) angeordnet werden, e) und derart, dass der jeweilige Versatz (V) der aufeinander folgenden Tintentropfen (T₁, T₂, T₃, T₄, T'₁, T'₂, T'₃, T'₄) bestimmt wurde durch eine vorangegangene numerische Optimierungssimulation auszudruckender Tintentropfen (T₁, T₂, T₃, T₄, T'₁, T'₂, T'₃, T'₄) bezüglich einer möglichst steilen und glatten Wandung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Tinte eine Metallpartikel-Suspension umfasst und bei dem die zweite Tinte ein Photopolymer umfasst und bei dem zuerst ein nichtleitender Schichtblock (B_N1, B_N2) mit der zweiten Tinte gedruckt wird und anschließend ein angrenzender elektrisch leitender Schichtblock (B_L1, B_L2) mit der ersten Tinte.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der aus leitenden Schichtblöcken (B_L1, B_L2) gebildete Leiterkörper (10) einen oberen leitenden Schichtblock (B_L2) aufweist, der mit einem oberen angrenzenden, nichtleidenden Schichtblock (B_N2) des Isolationskörpers (20) bündig abschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Anzahl der leitenden Schichten (S_L1, S_L2 ...) eines leitenden Schichtblocks (B_L1, B_L2) gleich der Anzahl der nichtleitenden Schichten (S_N1, S_N1) des angrenzenden nichtleitenden Schichtblocks (B_N1, B_N2) ist.
HF-Bauteil mit einem Leiterkörper (10) und einem Isolationskörper (20), hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
HF-Bauteil nach Anspruch 5, bei dem der Leiterkörper (10) eine Seele einer Koaxialleitung ist.