Die Druckelektronik, die leitfähige Tinte anstelle von Lithographie verwendet, beginnt sich aus der Forschungsphase zurückzuziehen. Die Chiphersteller prüfen nun, wie sie diese Technologie für eine breite Palette von Sensoranwendungen kommerzialisieren können.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Halbleitern, die winzige Drähte als Schaltungen verwenden, ist die gedruckte Elektronik auf leitfähige Tinten und oft flexible Folien angewiesen. Und das obwohl man sie auf fast alles drucken kann. Dadurch kann man sie mit konformen Folien auf so etwas wie ein Industrieventil kleben. Wo man mehrere Arten von Sensoren verwendet, anstatt zu versuchen, einen einzelnen, diskreten Sensor auf einem harten Substrat anzubringen. Darüber hinaus können diese Sensoren an bestehende Anlagen angebaut werden. Anstatt bestehende Geräte durch neue Teile mit integrierter Elektronik zu ersetzen.

Diese Art von fähigkeitsleitender Tinte mit integrierter RF oder angeschlossener Schaltung hat die Phantasie der Chiphersteller auf mehreren Kontinenten und in verschiedenen Industriesegmenten beflügelt. Die meisten Experten glauben, dass sie auch für Anwendungen nur die Oberfläche verkratzt haben.

Nicht gerade neu

Das Versprechen der gedruckten Elektronik ist kaum neu. Tatsächlich ist es seit Beginn des Jahrtausends Gegenstand einer intensiven Halbleiterforschung. Es wurde über leitfähige Fäden im Inneren der Kleidung gesprochen, oder sogar über Schaltkreise im Inneren von Baumaterialien. Aber all das hat sich als schwieriger zu entwickeln erwiesen, als man zunächst dachte.

„Das steht seit 10 bis 15 Jahren auf unserer Agenda“, sagt Janos Veres, Manager bei PARC. Dessen Schwerpunkt darin besteht, langfristige Forschung, die normalerweise an Universitäten oder Forschungseinrichtungen durchgeführt wird, mit kommerziellen Anwendungen dieser Forschung zu verbinden. „Es gibt drei Dinge, die wir uns vorstellen. Einer davon sind neue Formfaktoren, einschließlich 2D-Geräte. Die zweite ist die Integration von Sensoren, einschließlich optischer und mechanischer Komponenten. Anstatt diese Geräte in winzigen Dimensionen zu bauen, können Sie sie also ausbreiten. Die dritte ist die bedarfsgerechte, lokale, verteilte Fertigung. Anstatt also Vorräte aufzubauen, können Sie garantieren, dass sie in der Lieferkette frisch bleiben.“

Anwendungen

Es ist die Möglichkeit, diese Sensoren in einer Vielzahl von bestehenden und neuen Anwendungen einzusetzen, die diesen Technologieansatz wirklich antreibt.

„Wenn Sie heute an einen dreidimensionalen Sensor denken, haben Sie vielleicht einen Feuchtesensor oder einen Temperatursensor“, sagt Gert Jorgensen, Vice President of Sales and Marketing bei DELTA Microelectronics. „Aber mit gedruckter Elektronik kann man beides und noch viel mehr haben. So können Sie eine Tinte entwickeln, wo sie auf ein Protein oder einen nicht-organischen Film aufgetragen werden kann, und das können Sie nutzen, um Dinge zu erfassen, die heute nicht von einer Diode erkannt werden.“

Die Dänen forschen

Tatsächlich hat die dänische Regierung ein kleines Forschungsprogramm gestartet, um Abwasser und sauberes Wasser mit Hilfe von gedruckten Sensoren zu verfolgen.

Industrielle Anwendungen waren schon immer eine naheliegende Anwendung. Die Verwendung von Silizium oder anderen harten Substraten macht es schwierig, in diese Geräte zu integrieren. Zum einen sind viele dieser Vorgänge einzigartig, so dass die Herstellung eines Teils mit einem eingebauten Sensor einen kundenspezifischen Chip erfordert. Das erhöht die Kosten des Teils erheblich. Darüber hinaus müssen diese Chips in der Lage sein, in rauen Umgebungen zu arbeiten, in denen Chemikalien, Hitze, Vibrationen und extreme Kälte üblich sind. Es ist viel einfacher, Schaltkreise anzubringen, die auf einem Stück Klebeband oder in einer konformen Folie gedruckt sind, die diesen Bedingungen standhält, und es kann deutlich mehr Daten liefern als ein diskreter Sensor.

Dies ist ein wesentlicher Grund, warum dieser Ansatz auch in der Automobilwelt so viel Aufmerksamkeit erregt.

Veres stellte fest, dass Sensoren auch in Lagerhäuser und Produktverpackungen zur Überwachung der Lieferkette integrierbar sind, was die Kosten gegenüber aktuellen Lösungen drastisch senken würde.

Eine weitere Anwendung ist die Integration von gedruckter Elektronik mit dem 3D-Druck, insbesondere in Bereichen wie Antennen. „Der 3D-Druck hat sich nicht so entwickelt, wie wir es uns erhofft hatten“, sagte Stefanie Harvey, F&E-Programmleiterin für flexible Technologien bei SEMI. „Aber wir beginnen zu sehen, dass man hier neue Materialien für Dinge wie Antennen verwendet. Was wir auch feststellen, ist, dass die additive Herstellung nicht unbedingt eine Düse oder ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol, ein thermoplastisches Polymer) sein muss. Sie können Reproduzierbarkeit und Konformität sowie Widerstände bei interessanten Geometrien haben. Es gibt viele Fortschritte.“

Technologie

Bisher wurde der größte Teil der gedruckten Elektronik in der flexiblen Hybrid-Elektronik (FHE) eingesetzt. Typischerweise in großen Abmessungen – etwa in der Größenordnung von 1 Mikron. Das ändert sich jedoch schnell.

Um zu diesem Punkt zu gelangen, bedarf es eines Mixes von Disziplinen. Dieser reicht von der Elektrotechnik über die Materialwissenschaften bis hin zur Chemie und Nanopartikelforschung.

„Es gibt eine Menge Arbeit in der Tintenformulierung, um die Leistung von Kupferverbindungen zu erreichen“, sagte Melissa Grupen-Shemansky, CTO für Flexible Electronics & Advanced Packaging bei SEMI. „Wir untersuchen elektrische Eigenschaften, die modifiziert werden können, und komplexere Sensoren wie MEMS.“

PARC hat ein Projekt mit dem Jet Propulsion Laboratory der NASA gestartet, um ein Sensorblatt zu entwickeln, das aus Hunderttausenden von Sensoren besteht. Einige sind temperaturempfindlich, während andere lichtempfindlich sind. „Diese können in einer Raumstation gedruckt und unabhängig von den Bedingungen beim Start hergestellt werden“, sagt Veres. „Sie können dies auch in Laminaten auf Platten verwenden. Anstatt also ein Brett aufzubauen, können Sie in jeder Ebene mehr hinzufügen. Dies gibt Ihnen neue Designfreiheiten und eignet sich auch für das Early Stage Prototyping. Wir betrachten auch den analogen Druck für Dinge wie Batterien, bei denen immer mehr Skalierung benötigt wird. Dies ermöglicht es uns, die Kosten zu senken und gleichzeitig Batterien herzustellen, die konformer sind als Knopfzellen.“

Zukünftige Herausforderungen

Während die Einsatzmöglichkeiten scheinbar grenzenlos sind, muss die gedruckte Elektronik die gleiche Art von rigoroser Verifikation, Validierung und Prüfung durchlaufen wie andere Chips. Und da beginnt die Realität einzudringen.

ANSYS arbeitet mit Hewlett Packard Enterprise zusammen, um diese Art von Problemen zu lösen, die außerordentlich komplex sein können. „Eine der Hauptanwendungen ist eine Sensorfolie, aber bei anhaltender Vibration kann der Temperaturgradient an verschiedenen Stellen unterschiedlich sein“, sagt Chang. „Mit einem Armband oder einem Körpermonitor benötigen Sie aufgrund der Flexibilität auch eine Co-Simulation. Das kann sich auch ändern. Denn es gibt eine Fülle von verschiedenen Arten von Substraten, und jeder Fall wird einen anderen Ansatz erfordern. Hoffentlich werden wir einige standardisierte Produkte entwickeln, bei denen die Designbasis auf einer gemeinsamen Plattform liegt. Das würde eine Menge Kosten sparen.“

Das gilt insbesondere für Antennen-Arrays, die auf Verpackungen für Anwendungen wie 5G gedruckt werden könnten. Das Problem besteht darin, dass es nicht möglich ist, diese Geräte mit Standard-Testgeräten zu testen, und Lösungen könnten für gedruckte Elektronik gelten.

Unterschiedliche Materialien erfordern auch unterschiedliche Geräte für Simulation und Test. „Wir werden dies mit einem Smartphone sehen, das faltbar ist, IIoT-Anwendungen und Body-Monitore“, sagt ANSYS‘ Chang. „Es wird verschiedene Sensoren für verschiedene Märkte geben, und verschiedene Materialien benötigen unterschiedliche Simulationswerkzeuge. Es gibt heute eine Menge Aktivitäten zwischen Regierung und Industrie.“

Zuverlässigkeit ist ein zentrales Anliegen in diesem Bereich, und Streifen von Sensoren könnten einfach genug zu ersetzen sein, es ist nicht klar, wie lange sie halten oder wie sie sich verschlechtern werden.

Fazit

Gedruckte Elektronik war in der Vergangenheit weitgehend ein wissenschaftliches Projekt. Aber es gibt genügend Dynamik, die auf diesem Ansatz aufbaut. Und genügend Nachfrage der Endverbraucher in verschiedenen Marktsegmenten. So dass die Elektronikindustrie in Zukunft sehr wahrscheinlich viel mehr von dieser Art von Technologie sehen wird.

Wie schnell, für welche Anwendungen und wo Probleme auftreten können, ist noch nicht geklärt. Aber die Fähigkeit, Elektronik in jede Umgebung zu bringen, unabhängig von der Form oder den Umgebungsbedingungen, und mehr Daten als mit herkömmlichen Chips zu erhalten, ist für viele Anwendungen eine sehr attraktive Reihe von Eigenschaften. Dieser Satz von Attributen wird wahrscheinlich nur wachsen. Wenn die Knicke aus der Lieferkette herausgearbeitet werden und die Zuverlässigkeitssimulation und -prüfung sich als ausreichend für die Qualitätssicherung erweisen.

Elektronik im 3D-Drucker zu drucken wird immer einfacher. Überzeugen Sie sich hier.

Eine neue Technik, von Forschern in China entwickelt, ermöglicht ein einfacheres Drucken von elektronischen Bauteilen auf Papier.

Die Elektronikfertigung im Heimwerkerbereich könnte bald mit Ihrem Desktop-Drucker möglich sein, sagen die Designer eines neuen Systems, das elektronische Schaltungen direkt auf gewöhnliches Papier druckt.

Jing Liu von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking sagte, dass der am 9. Mai in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlichte Vorabdruck seines Teams ein Sprung nach vorne im boomenden Geschäft mit gedruckter Elektronik sein könnte.

„Diese brandneue Technik bietet eine wichtige Möglichkeit, eine schnelle Herstellung von kostengünstigen, wegwerfbaren, bequem tragbaren Schaltungen und Funktionskomponenten zu realisieren“, sagte er und fügte hinzu, dass das Verfahren dazu beitragen könnte, „den Weg in Richtung persönlicher gedruckter Elektronik zu ebnen“.

Eines Tages könnten die Menschen diese und ähnliche Technologien nutzen, um ihre eigenen maßgeschneiderten elektronischen Geräte zu entwickeln. Darunter elektronische Grußkarten, Videospielsteuerungen, berührungsempfindliche Handytaschen oder Solarzellen-Arrays.

Wissenschaftler drucken bereits elektronische Schaltungen auf flexiblen Materialien wie Kunststoffen, die sich zu funktionalen Produkten formen lassen. Antennen sind ein häufiges Beispiel.

Aber viele der vorhandenen elektronischen Tinten, die zur Herstellung solcher Schaltungen verwendet werden, müssen bei sehr hohen Temperaturen gedruckt werden. Etwa 400°C (750°F) – oder sie werden nicht genügend Strom leiten, um zu funktionieren.

Das bedeutet, dass sie nicht einfach auf Papier gedruckt werden können. Aber Papier ist für gedruckte Elektronik sehr begehrt. Weil es billig, recycelbar und leicht ist und sich leicht rollen oder falten lässt.

Eine neue Formel

So entwickelten Jing und Kollegen eine neue Tinte auf Metallbasis, die bei Raumtemperatur funktionieren konnte.

Ihre ursprüngliche Formel ließ die Tinte zu Tröpfchen zusammenballen, was das Auftragen und Verkleben auf dem Papier erschwerte.

So modifizierte das Team die Tinte, indem es die flüssige Metalllegierung mit Sauerstoff einspritzte. So dass sie sich besser für den Druck auf die Art von Papier eignet, die für Buchumschläge, Etiketten und Werbeträger verwendet wird.

Eine neu entwickelte Bürste – ähnlich einem porösen Stecknadelkopf – wurde ebenfalls entwickelt. Um die langsam fließende Tinte zu liefern, die herkömmliche Drucker verstopfen würde.

Während sich die meisten elektronischen Druckfarben nach dem Drucken verfestigen, bleibt die von den Forschern verwendete Druckfarbe flüssig und wird von einer zweiten Beschichtung aus Silikonkautschuk umschlossen – so entsteht ein Kanal zum Halten der Druckfarbe.

Biegsam

„Die gefertigten Schaltungen lassen sich auch bei häufigem Biegen nicht so leicht abbrechen und zeigen eine attraktive und ausgeprägte mechanische Flexibilität, die ein entscheidender Vorteil bei der Herstellung flexibler Elektronik ist“, schreiben die Autoren.

Da die elektronischen Farben mit Gummi ummantelt sind, können sie auch in Schichten gestapelt werden, ohne ihre elektrische Funktionalität zu beeinträchtigen. Dies würde es den Anwendern ermöglichen, elektromechanische Funktionen in den Körper von 3D-Druckobjekten zu integrieren.

„Die meisten der derzeit verfügbaren 3D-Drucker sind nur in der Lage, mechanische Objekte ohne Elektronikmerkmale herzustellen“, sagte Jing, wie z.B. kundenspezifische Artikel wie Handytaschen oder Schmuck.

Jings Team hat erfolgreich gedruckte Schaltungen und funktionale Komponenten auf Papier gedruckt, darunter leitende Drähte, Induktionsspulen und flexible Antennen – die Bausteine personalisierter elektronischer Geräte.

Billig, grün, aber nicht einfach

Der Druck von Elektronik auf Papier und nicht auf Kunststoff hat sich als problematisch erwiesen, verspricht aber eine umweltfreundlichere Alternative zur traditionellen Produktion.

Einer der großen Vorteile des Entwicklungsbereichs ist ein geringerer ökologischer Fußabdruck, da man durch das Verfahren ein Großteil der Rohstoffe, Energie und Wasser einspart, die heute für die Herstellung konventioneller Elektronik verwendet werden.

Die Maschine, die Jing und sein Team entwickelt haben, ist immer noch teuer für den täglichen Gebrauch, aber die Gruppe ist bestrebt, sie für den durchschnittlichen Desktop erschwinglich zu machen.

Ihre Maschine könnte sich bald einem überfüllten Feld anschließen; mehr als 3.000 Unternehmen arbeiten bereits an gedruckter Elektronik.

IDTechEx, eine Marktforschungsberatungsgruppe mit Sitz in Cambridge, England, prognostiziert, dass der Markt für Papierelektronik – geschätzt auf rund 16 Milliarden Dollar im Jahr 2013 – bis 2023 auf fast 77 Milliarden Dollar wachsen wird.

Hier sind einige Bereiche, in denen dieses fünffache Wachstum stattfinden könnte.

Displays und Werbung

Obwohl man es vielleicht nicht erkennt, wenn man es sieht, taucht die OLED-Technologie (Organic Electroluminescence Display) in Form von beleuchteten Displays, wie z.B. Autotachometer, und als flexible, robuste und auffällige Werbung auf.

OLED verwendet gedruckte Schichten von Partikeln auf Kohlenstoffbasis, die Strom direkt in Licht umwandeln.

Diese Fortschritte in der gedruckten Elektronik lassen traditionelles Papier lebendig werden. Schaltkreise können nun auf Poster und andere traditionelle Displays gedruckt werden, was sie interaktiv macht, z.B. durch das Abspielen von Clips von Songs, wenn jemand auf eine gedruckte Werbung für ein bevorstehendes Konzert drückt.

Batterien

Starre, sperrige Lithium-Batterien haben dem Design kleiner Elektronik längst Grenzen gesetzt. Aber die Technologie der gedruckten Elektronik ermöglicht die Herstellung von kundenspezifischen, grünen Dünnschicht-Batterien.

Diese flexiblen Alternativen können eine vielversprechende Zukunft in tragbarer elektronischer Kleidung und medizinischen Implantaten haben. Oder sie könnten ein Mobiltelefon ermöglichen, das so dünn wie eine Kreditkarte ist.

Mehrere Unternehmen entwickeln solche Batterien jetzt mit Druckverfahren, die denen ähneln, die man bei der Herstellung von Siebdruck-T-Shirts verwendet. Aber sie legen Schichten von elektrochemischen Tinten aus Zink, Metalloxid und Elektrolyten anstelle von Fluoreszenzfarbstoffen auf.

Energiefresser

Ein Georgia Tech-Team unter der Leitung von Mano Tentzerisis nutzte die Inkjet-Drucktechnologie, um Sensoren, Antennen und eine silberne Nanopartikel-Tintenemulsion zu einem Gerät zu kombinieren, das Energie aus der Luft gewinnt.

Das Gerät zieht niedrige Energieniveaus aus den elektromagnetischen Wellen, die Funkgeräte und Radargeräte ausstrahlen. Diese Forschungsrichtung könnte eines Tages zu eigenständigen elektronischen Geräten führen.

RFID-Tags

Radio Frequency Identification (RFID)-Tags speichern Informationen und übertragen sie drahtlos über elektromagnetische Felder.

Gedruckte Elektronik ermöglicht die Herstellung kostengünstiger Versionen dieser Tags für den Einsatz in Nahverkehrstickets und Schlüsselkarten für Bürogebäude.

Immer mehr Smart Tags können dazu beitragen, die Echtheit eines Produkts gegenüber Fälschern zu überprüfen. Oder den Weg von Meeresfrüchten vom Boot bis zum Fischhändler zu verfolgen. Und um zu erkennen, ob die Lebensmittel auf dem gesamten Weg kalt bleiben.

Sie können sogar potenzielle Käufer mit der Hintergrundgeschichte eines Produkts in Verbindung bringen. Eine Flasche Wein könnte die Liebhaber der Region, der Weinberge und sogar der Erzeuger, die das Getränk kreiert haben, näher bringen. Indem sie gespeicherte Daten auf dem Etikett mit dem mobilen Gerät des Käufers verknüpfen.

Solarzellen

Gedruckte Elektronik eröffnet die Möglichkeit, papierähnliche, transparente, tragbare Solarzellen zu falten, zu verstauen und bei Bedarf auszurollen.

Mehrere Forscherteams haben es bereits geschafft, Photovoltaikzellen auf Druckerpapier zu drucken.

Und während diese Anwendungen in naher Zukunft keine großen Mengen an Strom versprechen, könnten diese netzunabhängigen Energieerzeuger schließlich Strom in entlegene Gebiete bringen. Einen Großteil der ländlichen Armen der Welt zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Solaranlagen könnten sie mit Strom versorgen.

Fernseher

LG Electronics hat in diesem Monat den weltweit ersten gekrümmten OLED-Fernseher auf den südkoreanischen Markt gebracht.
Gedruckt mit organischen Leuchtdioden, ist der Fernseher nur 4,3 Millimeter (0,17 Zoll) dick.

Das neue Modell verkauft für mehr als 13.000 US-Dollar, aber die Konkurrenz könnte bald die Preise für Aufkleber senken. DuPont zum Beispiel hat bereits angekündigt, dass es möglich ist, ein eigenes 50-Zoll (1,3 Meter) Set in nur zwei Minuten zu drucken.

Intelligente Stoffe

Einige elektrisch leitfähige Tinten kann man auf Gewebe drucken. Um „intelligente Gewebe“ herzustellen, was die Produktion von sportlicher Kleidung ermöglicht. Die die Herzfrequenz eines Läufers verfolgen könnte, oder medizinische Bandagen, die die Vitalparameter eines Patienten überwachen könnten.

Mehrere Militär- und Sicherheitsbehörden der Welt erforschen auch solche Technologien auf ihre Fähigkeit, als Sensoren zu dienen, die ihre Träger vor chemischen oder anderen gefährlichen Expositionen warnen könnten.

Was man so alles mit 3D-Druckern in der Elektroindustrie herstellen kann, erfahren Sie hier.

3D-Drucker stellen keine Mikrochips für Sie her, aber sie ermöglichen es Ihnen, viele andere Elemente zu erstellen, die man für elektronische Produkte benötigt. Führende Technologieunternehmen setzen bereits 3D-Drucker ein, vor allem für das Prototyping, aber es ist nicht die einzige mögliche Anwendung des 3D-Drucks in der Elektronikindustrie.

Der 3D-Druck ist eine Technologie, die von den Riesen und den Kleinen nutzbar ist. Die niedrigen Kosten eines einzelnen 3D-Druckers ermöglichen es auch einem Neuankömmling, einen zu kaufen. Andererseits setzen die führenden Unternehmen der Branche 3D-Drucker in großem Maßstab ein. In jedem Fall erleichtern sie die Arbeit. Für kleine Unternehmen beschleunigen sie Entscheidungen und ermöglichen ein schnelles Prototyping mit eigenen Ressourcen. In großen Unternehmen bringen sie erhebliche Einsparungen.

Druckersatzteile für die Produktionslinie

Das beste Beispiel ist Bosch und der Einsatz von Zortrax M200 3D-Druckern. Bosch verwendet sie nicht für das Prototyping. Die Niederlassung in Mondeville, Frankreich, fertigt mit 3D-Druckern Ersatzteile für Maschinen und Anlagen, die in der Produktionslinie eingesetzt werden. 3D-Druckteile sind billiger als Originalteile und in wenigen Stunden verfügbar. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Produktion, ohne auf die Lieferung von Ersatzteilen warten zu müssen. Auch die Vorratshaltung aller möglichen Ersatzteile ist finanziell nicht sinnvoll. Der Betriebsleiter Frédéric Boumaza erklärte, dass das Unternehmen dank der 3D-Drucker Zortrax M200 bereits 80.000 Euro und viel Zeit gespart habe. Die Herstellung von Werkzeugen und Ersatzteilen ist eine der interessantesten Anwendungen des 3D-Drucks.

Schnelles Prototyping

Wenn Sie den 3D-Druck in der Elektronikindustrie in Betracht ziehen, können Sie das Thema Prototyping nicht überspringen. Der 3D-Druck ermöglicht es, schnell den Prototyp eines Gehäuses oder anderer Elemente zu erstellen, die für die Funktion des Prüfgeräts erforderlich sind. Die Technologie ist relativ günstig, verfügbar und schnell. Sie können Projekte schnell ändern. Zortrax 3D-Drucker verwendete man, um die Prototypengehäuse der Sherlybox zu erstellen, einem Gerät, das Teil eines privaten Cloud-Dienstes für Unternehmen war.

ZORTRAX Photonen-Prototyping

Elemente eines polierten Produkts
Manchmal reicht der 3D-Drucker für kleine oder mittlere Serien aus. Der Zortrax M200 3D-Drucker ist das perfekte Beispiel. Es wird mit einem Halter für das Material geliefert, das mit einem exakt identischen 3D-Drucker gedruckt wurde. In einigen Fällen ist eine solche Entscheidung finanziell solide. Wenn Sie die erste, kleine Serie Ihrer Geräte freigeben, können Sie deren Gehäuse auf einem 3D-Drucker drucken. Das Gleiche gilt für andere Komponenten. Der 3D-Druck ist perfekt für Anwendungen, bei denen Komponenten für Roboterarme und andere komplexe Geräte erstellt werden. Der 3D-Druck kann die Kosten senken und ermöglicht schnelle Änderungen am Projekt. Darüber hinaus sind Materialien wie Z-ABS für den 3D-Drucker Zortrax M200 in elf verschiedenen Farben erhältlich. So können Sie Ihr Produkt in einen sehr attraktiven Körper verwandeln.

Tests, Prototypen, Werkzeuge und Produktion

Rapid Prototyping, schnelle Änderung der Projekte sowie Funktionstests sind einige der Hauptvorteile des 3D-Drucks in der Elektronikindustrie in der Phase der Projekterstellung. Die Technologie kann auch während der Produktion eingesetzt werden, um fertige Teile oder Werkzeuge und für die Produktion notwendige Ersatzteile zu drucken. Der 3D-Druck beschleunigt die Konstruktionsphase und reduziert die Kosten erheblich. Man muss sich daran erinnern, dass es sowohl in kleinen Unternehmen als auch in großen Unternehmen praktische Anwendungen finden kann.

Hier finden Sie gute Ideen für 3D-Drucker.

Elektrisierende Ideen mit 3D-Drucken

1984 ist das gleiche Jahr, in dem der SLA 3D-Druck entwickelt wurde; der Drucker war riesig und das Drucken mit dieser Technologie erforderte viel Belüftung. Denn die Dämpfe waren für die Atmung sehr ungesund. Die Dämpfe waren sehr giftig und am Anfang, wenn Sie den Dämpfen für längere Zeit ohne die richtige Belüftung ausgesetzt waren, konnten Sie Ihre Lungen dauerhaft schädigen. Im Laufe der Jahrzehnte wurde die Technologie sowohl für Leiterplatten als auch für 3D-Drucker immer kleiner und sicherer für den Anwender und die Umwelt. Nur im Jahr 2015, über 30 Jahre nach der Geburt der SLA- und ULSI-Technologie, wurden wir dem ersten Desktop-3D-Drucker auf dem Markt vorgestellt, der mehrstufige Leiterplatten herstellen kann.

3D-Druck und Schaltung arbeiten heute zusammen, um unsere Elektronik und unsere Umwelt zu verbessern

Dank der Entwicklung des 3D-Drucks und der Schaltungstechnik können Produktdesigner und Elektroniker nun Produkte entwickeln, bei denen die Leiterplatte bereits in das Gehäuse integriert ist. Der Bedarf an Montagezeit, aggressiven Chemikalien und Bearbeitungs-/Werkzeugmaschinen entfällt. Lassen Sie uns herausfinden, wie das funktioniert.

Multi-Level-Leiterplatten waren eine sehr mühsame Aufgabe zu erstellen. Stellen Sie sich den Prozess der Herstellung einer Leiterplatte vor und legen Sie eine andere fertige Leiterplatte darauf. Wie ein Leiterplatten Sandwich. Wie Sie sehen können, ist der Montageprozess länger und es besteht ein notwendiger Bedarf an weiteren Iterationen. Zum Testen der Komponente, sollten Sie auch sicher sein, dass die Karten in das Gehäuse passen. In diesem Jahr stellte Nano Dimension seinen DragonFly 3D-Drucker vor, der die Möglichkeit bietet, mehrlagige Leiterplatten in einem Gehäuse zu erstellen. Schauen wir es uns genauer an.

Die Rapid Prototyping-Funktionen des DragonFly 2020 3D-Druckers für professionelle Elektronik revolutionieren die Arbeitsweise von Entwicklungsteams für Elektronikprodukte. Es bedeutet, dass keine Tage oder Wochen mehr darauf warten, dass ein kundenspezifischer Prototyp einer Leiterplatte (Leiterplatte), der außerhalb des Standortes verschickt werden muss, hergestellt wird. Der DragonFly 2020 bietet die Flexibilität, nur einen Teil einer Schaltung oder die gesamte Platine zu drucken. So dass das Testen und Iterieren im laufenden Betrieb einfach ist. Das Ergebnis sind größere Fortschritte, verbesserte Innovationen, geringere Entwicklungsrisiken, eine schnellere Markteinführung und letztlich bessere Produkte. Der Nano Dimension DragonFly 2020 PCB Drucker ist ein hochpräzises und vielseitiges Inkjet-Depositionssystem für den Druck professioneller Mehrschichtleiterplatten. Die innovative Hardware, spezielle Nano-Tinten und neuartige Software eröffnen neue Möglichkeiten für eine Vielzahl von Forschungs- und Entwicklungs-, Prototyping- und Auftragsfertigungsprojekten.

Elektronik und 3D-Drucker arbeiten zusammen, um Wifi- und Solarstrom bereitzustellen

Dubai hat einen Plan erstellt, um bis 2050 das energieeffizienteste und „grünste“ Land auf der Karte zu werden. Nur ein Element dieses Plans ist ein Produkt namens Smart Palm. Smart Palm ist eine grüne, selbsttragende Geräte-Ladestation und ein Infopunkt mit kostenlosem Wi-Fi-Zugang, und das sind nur zwei seiner Funktionen. Es hat auch eine Kamera, die für Sicherheits- und Schutzzwecke installiert ist. Es verfügt über Sitzbereiche, die sich um die intelligente Handfläche herum befinden, um sich zu entspannen. Während sie die Dienste der intelligenten Handfläche nutzen, es gibt einen Bildschirm mit Nachrichtenupdates und wichtigen Hinweisen und Anzeigen. Einen Touchscreen, der Wetterinformationen liefert, und Solarpanels. So dass sie vollständig mit sauberer Energie versorgt sind.

In Dubai gibt es derzeit nur wenige operative Smart Palms, die mit Freude angenommen wurden; in den kommenden Jahren wird es weitere Versionen von Smart Palm geben. Die aktuelle Version dauerte zehn Monate von der Konzeption bis zur Fertigstellung. Die 20 Fuß hohen Bäume bestehen aus Beton und 3D bedrucktem, faserverstärktem Kunststoff mit zusätzlichem UV- und Feuchtigkeitsschutz. Als wir unsere Aufmerksamkeit auf die Zukunft richten, hatte der Gründer Viktor Neleta dies zu sagen: „Später wird Smart Palms über Geldautomaten und Zahlungsdienste für Stromrechnungen verfügen; unser Team hat auch begonnen, neue Wege zu finden, wie die Smart Palm andere Formen der nachhaltigen Stromerzeugung unterstützen kann, insbesondere durch Luft- und Wasserreinigungsmodule.“

Die Zukunft ist hell mit 3D bedruckten organischen LED-Beleuchtungen

Vor kurzem wurde ein Patent für einen neuen 3D-Drucker in diesem Monat beantragt. Was dieses Patent besonders bemerkenswert macht, ist, dass es von einer Firma namens Graphene 3D eingereicht wurde. Erst vor einem Jahr entwickelte dieses Unternehmen eine Reihe von leitfähigen Materialien, die man als graphenbasierte Nanokompositen bezeichnet. Ihr jüngstes Patent gilt für einen 3D-Drucker namens Romulus III, der einer der fortschrittlichsten, multifunktionalen 3D-Drucker auf dem Markt sein könnte. Das Patent umfasst auch ein einzigartiges Verfahren zum 3D-Drucken einer organischen LED-Lichtquelle.. Das bedeutet, dass Sie auf Knopfdruck eine voll funktionsfähige Lichtquelle erstellen können, ohne dass eine Montage oder Lötung erforderlich ist.

Gedruckte Elektronik wird die E-Branche verändern. Lesen Sie nach, wie.

Elektronik aus dem 3D-Drucker ist eine zukunftsweisende Technologie. Leitfähige Farben haben den Weg für die gedruckte Elektronik geebnet, die heute eine Vielzahl von Anwendungen bedient. Von gedruckten RFID-Tags über Sensoren bis hin zu Touchscreens. Laut IDTechEx wird der Markt für leitfähige Farben und Pasten bis 2025 auf 3,2 Milliarden US-Dollar geschätzt. Schon diese Zahl deutet auf die möglichen Auswirkungen auf den Elektronikmarkt hin.

Membranschalter und Druckkantenelektroden für Touchscreens sind zwei der wichtigsten Anwendungen für die gedruckte Elektronik. Und das obwohl es in einer Vielzahl von Bereichen Wachstum gibt. Leitfähige Materialien haben ihren Weg zu Touchpanels und zum Drucken auf gekrümmten Oberflächen gefunden. Man erwartet, dass leitfähige Tinten für Embedded-Technologielösungen in Zukunft wachsen.

Die Entstehung der gedruckten Elektronik

Gedruckte Elektronik ist keine neue Technologie. Es gibt sie seit den 1940er Jahren. Aber in den letzten zehn Jahren ist der Markt für gedruckte Elektronik explodiert, und es ist so viel los, dass man mehrere Fertigungslösungen auf die gedruckte Elektronik abstimmt, um die Wachstumsdynamik zu nutzen.

Der Tintenstrahldruck hat einen erheblichen Einfluss auf die gedruckte Elektronik gehabt. Er ermöglicht den Druck einer Vielzahl von Materialien auf einer Vielzahl von Substraten. Aber die 3D-Elektronik umfasst ein breites Spektrum an Drucktechnologien, darunter Siebdruck, Laserdruck und andere Verfahren. In den meisten Fällen werden mit diesen Verfahren leitfähige Materialien auf eine ebene Oberfläche gedruckt. Das macht sie für Anwendungen wie Leiterplatten nützlich.

Gedruckte Elektronik für Membranschalteranwendungen

Im Bereich der Folientastaturen hat die 3D-Elektronik eine rationalisierte Fertigung erreicht. Wobei Anwendungen wie silberne Flex-Folientastaturen auf silber- und kohlenstoffleitenden Tinten beruhen. Diese werden auf flexible Polyesterschichten gedruckt, die durch Klebeabstandshalter getrennt sind. Elektronische Produkte, die alle Branchen abdecken, verlassen sich auf Membranschalterbaugruppen für effektive Mensch-Maschine-Schnittstellen, so dass gedruckte Elektronik bereits weit verbreitet ist, sowohl bei Anwendungen mit Verbraucher- als auch bei Industriekontakt.

Die Technologie der gedruckten Elektronik bietet zahlreiche Vorteile, darunter Fertigungseffizienz und sogar Wirtschaftlichkeit, sowie die Möglichkeit, schlanke, platzsparende flexible Folientastaturen herzustellen. Tatsächlich ist dieser Prozess so effektiv, dass er die gebräuchlichste Methode für flexible, kundenspezifische Folientastaturen ist.

gedruckte Elektronik setzt sich durch

Gedruckte Elektronik entwickelt sich zu einem gangbaren Weg für die Zukunft der Elektronik.. Ein Jahrzehnt der Forschung führte zur Entwicklung neuartiger leitfähiger Materialien und der 3D-Drucktechnologie. „Der 3D-Elektronikdrucker ist ein hybrider 3D-Drucker, der sowohl mit Kunststoff- als auch mit leitfähiger Tinte gespeist werden kann, was ein wichtiger Bestandteil für den Druck von 3D-Elektronik ist. Der Drucker ist in der Lage, Quadcopter, Elektromagnete und voll funktionsfähige elektromechanische 3D-Baugruppen herzustellen“, so ein Bericht von EBN.

Natürlich ist 3D-Elektronik noch nicht weit verbreitet. Die zweidimensionale Methodik bietet im Vergleich zur 3D-Drucktechnologie noch eine Reihe von Vorteilen. Darunter Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit und in einigen Fällen auch Erschwinglichkeit. Gedruckte Elektronik kann je nach Substrat und gewählten leitfähigen Materialien sehr kostengünstig sein. Insbesondere wenn man ein großes Volumen an Schaltungen druckt.

Die Zukunft der gedruckten Elektronik

Die Forscher sind bestrebt, 3D-gedruckte Elektronik in den Mainstream-Elektronikmarkt zu bringen. Während die Technologie näher rückt, ist es wahrscheinlich, dass die Kosten weiterhin unerschwinglich bleiben werden, damit sie noch mindestens mehrere Jahre lang eine realistische Option für die Massenproduktion von Elektronik wird. Dennoch birgt die 3D-gedruckte Elektronik ein enormes Potenzial, das komplexe Geometrien, die Einbettung von strahlungsabweisenden Kunststoffen und die Massenanpassung umfasst.

Obwohl es mehrere Herausforderungen zu meistern gilt, könnten die Kosten für hochvolumige Teile letztendlich attraktiver sein als die aktuellen Preise für 2D-Druckelektronik. Wie bei vielen Herstellungsverfahren sind die Kosten in der Regel hoch, wenn die Technologie neu und noch nicht verfeinert oder perfektioniert ist. Aber während die Forscher die Methoden verfeinern und die richtige Kombination von Prozessen und Materialien finden, die die Produktionskosten minimiert, breitet sich die Technologie aus und wird allmählich zur Norm.

Die 3D-Elektronik wird sich nur noch weiter verbreiten, da die Technologie es ermöglicht, höhere Stückzahlen zu vernünftigen Kosten herzustellen. Den Sweet Spot zwischen Wert und Preis zu erreichen, wird zu einer erfolgreichen und angewandten Technologie führen.

Lesen Sie hier, welche Methoden es gibt, gedruckte Elektronik herzustellen.

Gedruckte Elektronik ist eine Reihe von Druckverfahren, mit denen elektrische Geräte auf verschiedenen Substraten hergestellt werden. Der Druck verwendet typischerweise gängige Druckgeräte, die geeignet sind, Muster auf Materialien zu definieren, wie z.B. Siebdruck, Flexodruck, Tiefdruck, Offset-Lithografie und Inkjet. Nach den Standards der Elektronikindustrie sind dies kostengünstige Prozesse. Elektrisch funktionierende elektronische oder optische Tinten werden auf das Substrat aufgebracht, wodurch aktive oder passive Vorrichtungen wie Dünnschichttransistoren oder Widerstände entstehen. Gedruckte Elektronik ermöglicht weit verbreitete, sehr kostengünstige, stromsparende Anwendungen wie flexible Displays.

Der Begriff gedruckte Elektronik bezieht sich auf organische Elektronik oder Kunststoffelektronik, bei der eine oder mehrere Tinten aus kohlenstoffbasierten Verbindungen bestehen. Die gedruckte Elektronik umfasst organische Halbleiter, anorganische Halbleiter, metallische Leiter, Nanopartikel, Nanoröhrchen, etc.

Der wichtigste Vorteil des Druckens ist die kostengünstige Serienfertigung. Die niedrigeren Kosten ermöglichen den Einsatz in mehr Anwendungen. Der Druck auf flexiblen Substraten ermöglicht es, die Elektronik auf gekrümmten Oberflächen zu platzieren, z.B. indem man Solarzellen auf Fahrzeugdächern platziert. Typischerweise rechtfertigen konventionelle Halbleiter ihre viel höheren Kosten durch eine viel höhere Leistung.

Gedruckte Elektronikmaterialien

Für die gedruckte Elektronik werden sowohl organische als auch anorganische Materialien verwendet. Die Farbmaterialien müssen in flüssiger Form für Lösung, Dispersion oder Suspension vorliegen. Sie müssen als Leiter, Halbleiter, Dielektrika oder Isolatoren fungieren. Die Materialkosten müssen für die Anwendung geeignet sein.

Die Materialeigenschaften bestimmen maßgeblich die Unterschiede zwischen gedruckter und konventioneller Elektronik. Bedruckbare Materialien bieten neben der Bedruckbarkeit entscheidende Vorteile, wie mechanische Flexibilität und funktionale Anpassung durch chemische Modifikation (z.B. Lichtfarbe in OLEDs).

Bedruckte Leiter bieten eine geringere Leitfähigkeit und Mobilität der Ladungsträger.

• Einweg-Herzüberwachungssensor-Array auf Hot-Melt TPU
• Atemfrequenzsensor auf TPU gedruckt & auf T-Shirt übertragen
• Bedruckte Muster, die auf Handschuhe aufgebracht werden, um sie leitfähig zu machen.
• Gedruckte flexible Heizgeräte und Wärmer (PTC-Technologie)
• Gedruckt mit handelsüblichen leitfähigen oder leitfähigen Plastisol-Tinten.
• Elektronikpakete werden über Schwanz oder Schnappverschluss mit dem Sensor verbunden.

Flexible Substrate

Die gedruckte Elektronik ermöglicht den Einsatz von flexiblen Substraten, was die Produktionskosten senkt und die Herstellung von mechanisch flexiblen Schaltungen ermöglicht. Während Inkjet- und Siebdruck typischerweise starre Substrate wie Glas und Silikon bedrucken, werden bei Massendruckverfahren fast ausschließlich flexible Folien und Papiere verwendet. Poly(ethylenterephthalat)-Folie (PET) ist aufgrund ihrer niedrigen Kosten und höheren Temperaturstabilität die gängige Wahl.

Seien Sie Teil der neuen Revolution auf dem Technik-Markt.

Ein elektronischer Zeit-/Temperatursensor für 30 Cent? Ja, wirklich. Dieser gedruckte elektronische Temperatursensor wird zur Überwachung von verderblichen Gütern und Arzneimitteln entwickelt. Er ist der erste einer Reihe von extrem kostengünstigen elektronischen Sensorgeräten, die durch einen neuen Fertigungsansatz ermöglicht werden. Drucken statt Lithografie.

Die Idee der Druckelektronik ist nicht neu. Transistoren wurden vor mehr als einem Jahrzehnt in den Bell Labs gedruckt, und gedruckte elektronische Sensoren gehen noch weiter zurück. Tatsächlich waren Sensoren eines der experimentierfreudigsten Gebiete für gedruckte Elektronik. Gedruckte Sensoren verwendet man, um Temperatur und Luftfeuchtigkeit, Druck, Licht, Schall, Lebensmittelfrische und toxische Gase zu erfassen und zu messen.

Bis vor kurzem gab es nur begrenzte kommerzielle Fortschritte bei der Integration von gedruckten Sensoren mit den anderen gedruckten Komponenten, wie Speicher-, Display- oder RF-Kommunikation, um die Kostenvorteile des Druckens voll auszuschöpfen.

Das wird sich bald ändern – und es eröffnen sich neue Möglichkeiten im Sensorbereich.

Gedruckte Elektronik – Warum jetzt?

Die Druckelektronik hat klare Vorteile bei den Produktionskosten. Die Investitionen sind gering, der Materialeinsatz hoch.

Sensoren waren ein wichtiger Bereich für die Demonstration der gedruckten elektronischen Funktionalität innerhalb der Forschungs- und Entwicklungsgemeinschaft. Die Gerätestruktur ist einfach, der Druckprozess ist relativ einfach und die für Sensoren verfügbaren Materialien sind reichlich vorhanden. Weltweit wurde eine bedeutende Werkzeugkiste mit gedruckten Sensoren aufgebaut.

Das Gleiche galt nicht für andere Komponenten. Vor allem Speicher und Logik erfordern ein hochpräzises Drucken, und die Möglichkeiten sind geringer geworden. Gedruckte Logik erfordert spezielle Funktionstinten und ist noch nicht ausgereift.

In letzter Zeit ist der gedruckte wieder beschreibbare Speicher jedoch kommerziell erhältlich. Und zwar zu einem Preis, der unter dem eines EEPROM liegt. Gleichzeitig haben chemische Fortschritte von Unternehmen wie Polyera, Merck und BASF Materialien hervorgebracht, die „gut genug“ für den kommerziellen Druck von Logik sind.

Im Oktober 2011 wurde ein wichtiger Meilenstein für die Integration von Sensoren, Speicher und Logik in gedruckte Systeme demonstriert. Thin Film Electronics zeigte den ersten gedruckten adressierbaren Speicher mit organischer Logik. Diese entwickelte man bei PARC, einem Xerox-Unternehmen. Um einen gedruckten elektrischen Speicher zu lesen und zu schreiben, der den ersten Baustein eines skalierbaren Drucksystems darstellt. Seitdem haben sich weitere Unternehmen unserem Ökosystem angeschlossen, um das erste gedruckte elektronische Zeit-/Temperatursystem zu entwickeln.

Erschließung neuer Chancen im Sensormarkt

Die Kosten für eine gedruckte Sensorvorrichtung betragen 1/10 bis 1/100 der Kosten für ein Sensorsystem, das mit konventioneller Elektronik hergestellt wird. Obwohl die gedruckte Elektronik eine viel geringere Leistung aufweist als ihre reiferen Cousins auf Siliziumbasis, bieten sie eine Cost-per-Function, die auf andere Weise unerreichbar ist.

Infolgedessen werden gedruckte Sensorsysteme herkömmliche elektronische Geräte ergänzen und nicht verdrängen. Sie bieten digitale Funktionalität in Marktsegmenten, die bisher nur mit chemischen Sensoren adressierbar waren.

Nehmen wir zum Beispiel den Markt für Zeit-/Temperatursensoren. Es gibt eine markante Kluft zwischen den niedrigsten Preisen für elektronische Geräte bei $5,00 und den höchsten Preisen für Etiketten auf Chemiebasis bei 40 Cent. Gedruckte Elektronik schließt diese Lücke, indem sie Etiketten, die Dutzende von Cent kosten, mit elektrischer Funktionalität ausstattet und es ermöglicht, die digitale Abtastung auf die Artikelebene zu verschieben.

Das Internet der Dinge aktivieren

Gartner hat „The Internet of Things“ (IoT) als eine der Top 10 strategischen Technologien dieses Jahrzehnts identifiziert, und IDC hat den Markt für intelligente Systeme und IoT auf zwei Billionen Dollar bis 2015 geschätzt.

Diese Prognosen haben ihre Skeptiker angesichts des Kostenpunktes der traditionellen Elektronik.

Gedruckte Sensorsysteme sind der Schlüssel dazu. Sie werden den Einsatz von Elektronik in einer Weise ermöglichen, die bisher nicht möglich war. Den Wegwerfartikeln kann Intelligenz hinzugefügt werden: erstmals Einweg-Elektronik.

Führende Unternehmen in Asien, Nordamerika und Europa haben mit der Planung der Integration solcher Geräte in ihre Produkte und Systeme begonnen, um den Wert und die Produktdifferenzierung zu steigern. Der Aufbau der richtigen Partnerschaften wird der Schlüssel zur Einführung dieser Art von Elektronik in hochvolumige Anwendungen sein.

Wie Randall Sherman von New Ventures Research es ausdrückte, „…. die gesamte gedruckte Elektronikindustrie ist die nächste Revolution in der Elektroniktechnologie. Wir sehen an dieser Stelle nur die Spitze des Eisbergs“ (Printed Revolution Coming to Electronics).

Jetzt ist es an der Zeit, sich zu engagieren.