Mechatronische Funktionsintegration auf additiv gefertigten Bauteilen aus Standardkunststoffen mittels laserbasierter Oberflächenbearbeitung und selektiver Metallabscheidung über nasschemische Prozesse

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird eine Prozesskette vorgestellt, die es ermöglicht, additiv gefertigte 3D-Körper zu einem mechatronischen Bauteil zu veredeln, indem unmittelbar auf der Oberfläche elektrisch leitfähige Strukturen erzeugt werden. Die Prozesskette basiert auf der Maskierung der Bauteiloberfläche und dem selektiven Abtrag der Maskierung entsprechend der Schaltungsgeometrie mittels Laserstrahlung, bei dem auch die Bauteiloberfläche bearbeitet wird. In einem nasschemischen Badprozess werden dann nacheinander die Oberfläche mit Palladiumkeimen beaufschlagt, die Maskierung final entfernt und Metallschichten (Cu/Ni/Au) außenstromlos abgeschieden. Der Prozess ist somit nicht auf Spezialwerkstoffe angewiesen, sondern ermöglicht den Einsatz branchenbekannter Materialien aus dem Bereich der additiven Fertigung, sofern diese nicht elektrisch leitfähig sind. Als Maskierungsmaterial wurden eine anorganische Schicht in Form eines Natriumsilikatglases und eine organische Schicht in Form eines photostrukturierbaren Negativlacks untersucht. Das anorganische Maskierungsmaterial musste aufgrund starker Rissbildung auf 3D-Bauteilen jedoch zunächst verworfen werden. Das Verfahren wurde unter Verwendung des Digital Light Processing als Modellprozess der additiven Fertigung erarbeitet und die erzeugten Metallschichten hinsichtlich Haftfestigkeit (Hot-Bump-Pull-Tests), Leitfähigkeit (Vierleitermessung) und Oberflächenrauheit (Weißlichtinterferometrie) charakterisiert. Dabei konnten Haftfestigkeiten und Leitfähigkeiten der Metallschicht vergleichbar mit industriell gängigen, spritzgegossenen laser direktstrukturierten Mechatronic Interconnect Devices aufgezeigt werden. Zum Nachweis der Transferierbarkeit des Verfahrens auf andere additive Fertigungsverfahren wurden Bauteile mit vier weiteren Verfahren, Stereolithographie, PolyJet, selektives Lasersintern und HP Multi Jet Fusion, prozessiert und die Metallstrukturen charakterisiert. In allen Fällen konnte, trotz der stark unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften, eine gute Selektivität der Metallabscheidung gezeigt werden. Abschließend wurden Designregeln für das Verfahren aufgestellt.