{"id":23507,"date":"2020-04-17T00:01:05","date_gmt":"2020-04-16T22:01:05","guid":{"rendered":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/?p=23507"},"modified":"2023-11-28T15:53:31","modified_gmt":"2023-11-28T14:53:31","slug":"nanodruck-1604201","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/nanodruck-1604201\/","title":{"rendered":"3D-Druck kleinster Teile: der 3D-Mikrodruck"},"content":{"rendered":"

Mikrofabrikation ist der Herstellungsprozess von Miniaturstrukturen im Mikrometerbereich und noch kleineren Bereichen. Historisch gesehen wurde die Mikrofabrikation zuerst in der Elektronikindustrie eingesetzt, um die Gr\u00f6\u00dfe von Ger\u00e4ten zu miniaturisieren. Im Laufe der Jahre ist Ihnen m\u00f6glicherweise schon aufgefallen, dass Ihre elektronischen Ger\u00e4te immer kleiner und schmaler geworden sind. Komponentengr\u00f6\u00dfen im Bereich von einigen Mikrometern wurden zu einstelligen Mikrometern und dann zu Hunderten von Nanometern und gingen dann bis auf einige zehn Nanometer zur\u00fcck, bei denen sie heute noch liegen. Infolgedessen wurde das, was fr\u00fcher als Mikrofabrikation bezeichnet wurde, in Mikrodruck bzw. Nanodruck umbenannt, obwohl die Grundprinzipien im Wesentlichen die gleichen geblieben sind. Um der Herausforderung der immer kleiner werdenden Bauteile in der Elektronikindustrie zu begegnen, werden st\u00e4ndig neue Werkzeuge und Techniken entwickelt. Eine dieser Techniken ist der 3D-Mikrodruck. Im Folgenden erfahren Sie in welchen Bereichen der Mikro- und Nanodruck eingesetzt werden kann und was dessen Vorteile sind!<\/p>\n

Zun\u00e4chst einmal sei darauf hinzuweisen, dass die Elektronikindustrie in der Welt der additiven Fertigung<\/a> eine der am wenigsten vertretenen Bereiche ist. Wenn wir bedenken, dass die Luft- und Raumfahrt einer der ersten Sektoren war, der den 3D-Druck eingef\u00fchrt und entwickelt hat, ist im Bereich Elektronik im Grunde genau das Gegenteil der Fall. Nichtsdestotrotz kann die additive Fertigung diesem Sektor Vorteile und neue M\u00f6glichkeiten bieten, indem sie eine neue Ebene der Personalisierung f\u00fcr mikro- und nanoskalige Komponenten erm\u00f6glicht.<\/p>\n

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Um der st\u00e4ndig wachsenden Herausforderung der Verkleinerung von Komponenten in der Mikroelektronik zu begegnen, werden st\u00e4ndig neue Werkzeuge und Techniken entwickelt. Der Haupttreiber dieser Technologie sind integrierte Schaltkreise, wie der hier dargestellte.<\/p><\/div>\n

Tats\u00e4chlich wurde die additive Fertigung im Mikroma\u00dfstab zun\u00e4chst f\u00fcr die Elektronikindustrie entwickelt, aber heute geht die Anwendung der Technologie \u00fcber diesen Bereich hinaus. Die Technik eignet sich beispielsweise f\u00fcr medizinische Anwendungen, bei denen nanoskalige Komponenten in den K\u00f6rper gelangen eingef\u00fchrt werden k\u00f6nnen, um Krankheiten zu heilen, oder f\u00fcr mikroskopische Teile. Im folgenden Abschnitt betrachten wir die Beziehung zwischen der additiven Fertigung und der Mikro\/Nanofertigung aus verschiedenen Blickwinkeln, um Ihnen einen \u00dcberblick \u00fcber den aktuellen Stand dieser Technologie und ihre Anwendungen in der Elektronikindustrie und dar\u00fcber hinaus zu geben.<\/p>

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Die Technologie hinter dem 3D-Mikrodruck<\/h3>\n

Betrachten wir zun\u00e4chst die Haupttechnologie hinter dem mikroskaligen 3D-Druck, auch bekannt als Mikrostereolithographie. Die Mikrostereolithographie basiert auf einem Fertigungsprinzip, das dem der Stereolithographie<\/a> (SLA) – der ersten 3D-Drucktechnologie, die patentiert wurde – sehr \u00e4hnlich ist, aber Prozessverbesserungen verwirklicht, die zu einer weitaus besseren Aufl\u00f6sung (bis zu einigen Mikrometern) f\u00fchren. Sie beruht auf der Polymerisation eines lichtempfindlichen Materials durch ultraviolettes Licht.<\/p>\n

Im Elektroniksegment muss die Methode in der Lage sein, Strukturen zu erzeugen, die gleichzeitig leitend und isolierend sind, was eine gro\u00dfe Herausforderung darstellt. Nano Dimension, einer der f\u00fchrenden Hersteller von gedruckten 3D-Elektronikkomponenten, hat eine Tintenstrahl-3D-Drucktechnologie eingef\u00fchrt, die Nano-Tinten verwendet. Ein ebenfalls auf Photopolymerisation basierender Druckkopf erzeugt auf der Bauplatte dielektrische Nanopartikel, leitf\u00e4hige Nanopartikel und Polymere, die zwischen den aufeinanderfolgenden Auftragungen durch UV-Licht geh\u00e4rtet werden. Auf der anderen Seite hat Optomec, ein weiteres f\u00fchrendes Unternehmen im Bereich der gedruckten 3D-Elektronik, den Aerosol Jet 3D-Druck entwickelt, der durch die Abscheidung eines dichten Stroms von elektronischen Tinten mit einer Gr\u00f6\u00dfe von nur 10 \u00b5m funktioniert.<\/p>\n

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Es besteht eine gro\u00dfe Nachfrage nach immer kompakteren und komplexeren Leiterplatten. Die hier abgebildete ist mehrschichtig, d.h. sie enth\u00e4lt mehrere Ebenen an Leiterbahnen, anstatt nur einer einzelnen. (Bildnachweis: Nano-Dimension)<\/p><\/div>\n

F\u00fcr Metalle<\/a> ist das Verfahren der Mikrostereolithographie nicht geeignet. Mikrolasersintern<\/a> ist eine dem Selektiven Lasersintern<\/a> (SLS) \u00e4hnliche Technologie, die entwickelt wurde, um den 3D-Mikrodruck mit Metall umzusetzen und 3D-gedruckte Mikrostrukturen zu erzeugen. Sie wird zum Beispiel vom deutschen Unternehmen 3D MicroPrint eingesetzt. Exaddon hingegen setzt auf ein Verfahren, das mit der Direkten Energieabscheidung (DED), die sie elektrochemische Deposition nennen, verglichen werden k\u00f6nnte. Eine mikrogro\u00dfe D\u00fcse scheidet eine Fl\u00fcssigkeit aus Metallionen ab, die durch einen elektrolytischen Prozess (elektrische Ladung) in feste Atome umgewandelt wird.<\/p>\n

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Die Herstellung von Filamentspulen mit einem Durchmesser von weniger als 300 Mikrometern ist eine komplexe Herausforderung, die mit herk\u00f6mmlichen Methoden kaum zu bew\u00e4ltigen ist. Die folgenden Kupferspulen wurden von Exaddon in Zusammenarbeit mit der Harvard Medical School gedruckt (Bildnachweis: Exaddon)<\/p><\/div>\n

Noch geringere Dimensionen als der 3D-Mikrodruck k\u00f6nnen mit dem 3D-Nanodruck erreicht werden. F\u00fcr den Nanodruck wird die sogenannte Multiphotonen-Lithographie (MPL), auch bekannt als Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP)<\/a>, am h\u00e4ufigsten verwendet. Sie nutzt, wie der Name schon sagt, die Zwei-Photonen-Absorption von hochintensiven Lasern wie z.B. Nah-Infrarot-Licht (NIR). Diese Hochintensit\u00e4tslaser k\u00f6nnen Aufl\u00f6sungen von bis zu 50 nm (0,05 \u00b5m) erzeugen. Obwohl die Teile so winzig sind, dauert ihre Realisierung l\u00e4nger, als man zun\u00e4chst annehmen k\u00f6nnte. Dieser Prozess ist langwierig, weil er derart kleine Areale auf einmal polymerisiert, und aus diesem Grund ist es schwierig, ihn zu skalieren. Um Ihnen eine Vorstellung zu geben: Mit dem blo\u00dfen Auge k\u00f6nnen Objekte bis zu 0,1 mm, etwa 100 Mikrometer (\u00b5m), gesehen werden. Daher k\u00f6nnten Sie viele der Strukturen, die durch die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) erzeugt werden k\u00f6nnen, nicht sehen.<\/p>\n

Derzeit erforschen Wissenschaftler an mehreren Universit\u00e4ten auf der ganzen Welt die Einsatzm\u00f6glichkeiten der 2PP. So haben zum Beispiel Forscher an der Universit\u00e4t Hongkong (CUHK) in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Livermore National Laboratory an der Verbesserung der 2PP gearbeitet. Sourabh Saha, Leiter des Forschungsprojekts, erkl\u00e4rt: “ \u00dcblicherweise gibt es Trade-offs zwischen Schnelligkeit und Aufl\u00f6sung. Wenn man einen schnelleren Prozess will, verliert man an Aufl\u00f6sung. Wir haben diesen technischen Kompromiss aufgehoben, so dass wir mit den kleinsten Merkmalen tausendmal schneller drucken k\u00f6nnen“, erkl\u00e4rt Sourabh Saha, Leiter dieses Forschungsprojekts. Im Wesentlichen ersetzen die Forscher den singul\u00e4ren Hochintensit\u00e4tslaser durch ein Lichtfeld, um den Prozess zu beschleunigen.<\/p>\n

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Das Schloss misst 230 \u00b5m x 250 \u00b5m x 360 \u00b5m und wurde per 2PP gedruckt (Bildnachweis: TU Wien)<\/p><\/div>\n

Die Anwendungen von 3D-Mikrodruck und Nanodruck in der Elektronikbranche<\/h3>\n

Wie bereits erw\u00e4hnt, kann der 3D-Mikrodruck im elektronischen Bereich die Leistung und Funktionalit\u00e4t erh\u00f6hen und die Ger\u00e4teminiaturisierung vorantreiben. F\u00fcr Ingenieure besteht eine der Herausforderungen bei Innovationen in diesem Bereich h\u00e4ufig darin, Prototypen zu erstellen, um die Form oder die Einbettung der Elektronik zu testen, um neue Produktdesigns zu authentifizieren. Durch die Erstellung von Prototypen im eigenen Haus statt durch Auslagerung k\u00f6nnen Hersteller von k\u00fcrzeren Vorlaufzeiten, Designflexibilit\u00e4t, kundenspezifischer Anpassung und einer vereinfachten Lieferkette profitieren. Der Mikro-3D-Druck kann zur Erstellung neuer Designs f\u00fcr Ger\u00e4te wie eingebettete Elektronik, Elektromagnete, MIDS (Molded Interconnect Devices), Antennen, Sensoren und mehrschichtige Leiterplatten verwendet werden.<\/p>\n

Der CEO von Nano Dimension, Amit Dror, erkl\u00e4rt, dass viele Sektoren \u00fcber Prototyping-Anwendungen hinaus von dieser Technologie profitieren werden: „Heute kommt der st\u00e4rkere Bedarf an AME-L\u00f6sungen (Additive Manufacturing Electronics) aus der Luft- und Raumfahrt und der Verteidigungsindustrie, wo der Bedarf an High-Mix-Bauteilen in geringen St\u00fcckzahlen klar ist. Mit Blick auf den Horizont k\u00f6nnen wir eine Produktion im industriellen Ma\u00dfstab von der Automobilindustrie und von elektronischen Konsumg\u00fctern erwarten.<\/p>\n

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Nano Dimension’s 3D-gedruckte Prototyp einer Leiterplatte, die mit dem DragonFly Pro gedruckt wurde (Bildnachweis: Nano Dimension)<\/p><\/div>\n

Wenn sich die besagte Technologie weiterentwickelt und neue Akteure auf den Markt kommen, k\u00f6nnte sich das 3D-Drucken von Elektronik irgendwann von einem reinen Prototyping-Werkzeug zu einem Massenproduktionsverfahren entwickeln. So erkl\u00e4rt Optomec, eines der f\u00fchrenden Unternehmen im Bereich der additiven Fertigung, dass dessen Aerosol Jet-Technologie in der Lage ist, 5.000 integrierte Schaltkreise mit einer Gr\u00f6\u00dfe von 25 bis 50 \u00b5m pro Stunde in 3D zu drucken, und dass die Produktion mit der Einf\u00fchrung einer zus\u00e4tzlichen D\u00fcse auf bis zu 10.000 pro Stunde skaliert werden kann. Mit anderen Worten, das Unternehmen verspricht bereits jetzt, dass seine Technologie skalierbar ist, um die Produktion von hohen St\u00fcckzahlen zu unterst\u00fctzen.<\/p>\n

Weitere Anwendungsbereiche<\/h3>\n

Nat\u00fcrlich gibt es noch andere Vorteile, wenn man in der Lage ist, solch kleine Strukturen zu drucken. Mehrere Startups wie beispielsweise Microfabrica, Nanoscribe, Boston Micro Fabrication oder MicroLight3D haben Mikrotechnologien entwickelt, die zur Herstellung medizinischer Ger\u00e4te genutzt werden k\u00f6nnen. F\u00fcr Mediziner ist die Minimierung des Ausma\u00dfes von Kollateralsch\u00e4den des Gewebes w\u00e4hrend einer Operation eine Priorit\u00e4t. Daher ist die Miniaturisierung medizinischer Ger\u00e4te von entscheidender Bedeutung. Noch im medizinischen Bereich erkl\u00e4rt Nanoscribe, dass Anwender mit seiner 2PP-Technologie 3D-Ger\u00fcste herstellen k\u00f6nnen, um Zellwachstum, Migration oder Stammzelldifferenzierung auf biomimetischen Strukturen zu untersuchen. Das Start-up verwendet 2PP auch f\u00fcr eine Reihe anderer Anwendungen wie refraktive, diffraktive und Mikrooptik.<\/p>\n

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3D-gedruckte Werkzeuge, die\u00a0 die Mikrometerpr\u00e4zision bei dem 3D-Metalldruck beweisen(Bildnachweis: Mikrofabrica)<\/p><\/div>\n

Wie sieht die Zukunft f\u00fcr diesen Bereich der additiven Fertigung aus?<\/h3>\n

Zu den m\u00f6glichen zuk\u00fcnftigen Anwendungen geh\u00f6rt die Herstellung tragbarer oder versenkbarer Sensoren f\u00fcr die Echtzeit-\u00dcberwachung des Gesundheitszustands von Patienten. Dar\u00fcber hinaus k\u00f6nnten gedruckte 3D-Sensoren in Linsen eingebaut werden, um Augmented-Reality-Anwendungen zu erm\u00f6glichen, die auch in Objekten von Smartphones bis hin zu Autos eingebaut werden k\u00f6nnten. Die heutigen Einschr\u00e4nkungen betreffen die Software zur Entwicklung der Modelle f\u00fcr eine solch kleine Fertigung und auch die derzeit zur Verf\u00fcgung stehenden Materialien, die f\u00fcr diesen Prozess geeignet sind.<\/p>\n

Abschlie\u00dfend ist es ziemlich offensichtlich, dass die umfassendere Einf\u00fchrung des Nanodrucks den gleichen Herausforderungen wie auch andere additive Fertigungsverfahren sto\u00dfen werden. John Kawola, CEO von Boston Micro Fabrication, berichtete uns: „Wir glauben nicht, dass sich die Herausforderungen einer breiteren Einf\u00fchrung des mikroskopischen 3D-Drucks von den Herausforderungen einer breiteren Einf\u00fchrung des 3D-Drucks im Allgemeinen unterscheiden. Der 3D-Druck in allen Gr\u00f6\u00dfen wird f\u00fcr die Konstruktion und das Design-Prototyping weiterhin wertvoll sein. Der Nanodruck bietet Ingenieuren, die bisher nicht in der Lage waren, Prototypen in diesem Ma\u00dfstab herzustellen, einige neue M\u00f6glichkeiten. Dar\u00fcber hinaus ist die Herstellung von Teilen im Mikroma\u00dfstab in der Regel recht teuer, was den Mehrwert des 3D-Drucks f\u00fcr die Produktion von Endprodukten erh\u00f6ht“.
\nWas glauben Sie, was der mikroskalige 3D-Druck der additiven Fertigungsindustrie bringen wird?<\/p>\n

Was denken Sie \u00fcber die Zukunft des 3D-Mikrodrucks? M\u00f6chten Sie eine Zusammenfassung der wichtigsten Neuigkeiten im 3D-Druck und der Additiven Fertigung<\/a>\u00a0direkt und bequem in Ihr Postfach? Registrieren Sie sich jetzt f\u00fcr unseren\u00a0w\u00f6chentlichen Newsletter<\/a>\u00a0und folgen Sie uns auf\u00a0Facebook<\/a>\u00a0und\u00a0Twitter<\/a>\u00a0um stets auf dem Laufenden zu bleiben! Au\u00dferdem sind wir auch auf\u00a0LinkedIN<\/a>\u00a0und auf\u00a0Youtube<\/a>\u00a0zu finden. Melden Sie sich zu unserem\u00a0kostenlosen Webinar<\/a><\/strong>\u00a0an!<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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