Gemeinsam stark: Laser- und Drucktechnik


Gedruckte Elektronik durch Lasertechnik

In der Industrie 4.0 sind günstige Sensoren und flexible Produktkennzeichnung gefragt. Beides ist durch die Kombination von Laser- und Drucktechnik realisierbar.

Wie von Geisterhand erscheinen Buchstaben, eine Artikelnummer und ein QR-Code auf dem weißen Etikett. Tinte, Lack oder andere Betriebsstoffe sind nicht in Sicht. Auch wird kein Material abgetragen. Vielmehr belichtet ein CO2-Laser die spezielle Oberflächenbeschichtung des selbstklebenden Labels. Ihre Farbe schlägt in sattes Schwarz um, wo sie das konzentrierte Licht trifft. Die gestochen scharfe Kennzeichnung ist wisch-, kratzfest und individualisierbar, auch wenn es schnell gehen muss. Bis zu 200 laseraktivierbare Etiketten pro Minute belichtet und verklebt das System von HERMA. Den CO2-Laser liefert die auf industrielle Kennzeichnungstechnik spezialisierte Koenig & Bauer Coding GmbH. Ähnliche Farbumschlag-Beschriftung per Laser bietet sie auch für Kunststoffverpackungen an.

Schnelle, flexible Produktkennzeichnung ist in vollautomatisierten Prozessketten der Industrie 4.0 ein Muss. Sie ist die Basis dafür, dass Produkte individuelle Wege durch die Fertigungsketten bis in den Versand nehmen – und die Qualität währenddessen lückenlos überwacht und dokumentiert wird. Die laseraktivierbaren Etiketten sind dafür eine saubere, wartungsarme und zuverlässig maschinenlesbare Lösung. Gerade in Branchen mit hohen Hygienestandards sowie bei der Kennzeichnung auf flexiblen, stark beanspruchten Oberflächen spielen sie ihre Stärke aus.

Individualisierte Sensoren und Kontaktierungen

Nicht nur individuelle Artikelcodes dienen in den cyber-physikalischen Systemen der Industrie 4.0 als Schnittstelle zwischen digitaler und realer Welt sondern auch Sensoren. Engmaschige Sensornetze gelten als Basis vollautomatisierter Fabriken und Anlagen. Im Fraunhofer Leitprojekt »Go Beyond 4.0« treiben sechs Institute die Direktintegration von Sensoren in Automobil- und Flugzeugkomponenten sowie in Beleuchtungssysteme voran. Auch sie verbinden hierfür Anleihen aus der Drucktechnik mit modernen Laserverfahren.

Die Fraunhofer Forscher nutzen Tintenstrahl-, Tampon- oder Dispensdruckverfahren, um hauchdünne Elektronikschichten auf Bauteile zu drucken. Zur Vorbereitung dieser Druckprozesse strukturieren sie die Oberflächen gezielt per Laserablation und grundieren sie mit polymeren Isolationsschichten. Nach der drucktechnischen Applikation leitender Tinten folgen weitere Laserprozesse. Zunächst trocknen sie die noch nasse Elektronikschicht und entfernen dabei alle Löse- und Hilfsmittel. Danach folgt eine Laser-Wärmebehandlung, um die in der Tinte gelösten Mikro- und Nanopartikel aus Silber, Gold oder anderen leitenden Metallen zu verschmelzen. Laser setzen die Wärmebehandlung nicht nur schneller, flexibler und energieeffizienter um als Öfen. Die Kombination aus flexiblen Druckprozessen, in denen die Form, Breite und Dicke der Elektronikbeschichtung frei variierbar ist, mit ebenfalls hochflexiblen Laserprozessen sorgt für maximale Freiheit im Elektronikdesign. Und weil Leiterbahnen und Kontakte mit winziger Partikeldosierung gezielt dort gedruckt werden, wo sie wirklich nötig sind, sinkt auch der Verbrauch teurer Edelmetalle; dies gerade bei Kontakten, die bisher meist vollflächig in galvanischen Prozessen vergoldet werden.

Hohe Vielfalt an potentiellen Anwendungen

Das Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT hat mit diesem Druck-Laser-Verfahren additiv gefertigte Dehnungsmessstreifen realisiert. Kollegen des Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU nutzen es, um elektronische Module und mechatronische Funktionen in Autotüren zu integrieren – darunter Sensoren, Schalter, LEDs und Leiterbahnen. Roboter führen die Druckköpfe und Laser dabei über die Bauteile. Die bisher manuelle Kontaktierung und Verkabelung von Fahrzeugen oder Flugzeugen kann so automatisiert erfolgen. Doch Forscher des Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM gehen noch einen Schritt weiter. Sie arbeiten daran, per Druck-Laser-Prozess Heizdrähte in die Faserverbundstrukturen von Flugzeugtragflächen zu integrieren. Das könnte Tragflächen vor Vereisung schützen und Fluggästen im Winter viel Chaos ersparen. Selbst die direkte Integration von Druck- und Temperatursensoren in die Kohlenstoff- und Glasfaserstrukturen von Rumpf und Tragflächen erscheint machbar. Damit würde die Kombination von Drucktechnik und Laserverfahren den Flugzeugbau tatsächlich in eine Welt „Beyond 4.0“ führen.

 
 
 
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