Probleem op deze pagina?

Project: 3D Additive Manufacturing of Electrical and Electronic Applications

TETRA: Technologie-transfer gerichte projecten door instellingen van hoger onderwijs
01/12/2010
30/11/2013

Het project beoogt de verkenning van nieuwe materialen die met recente additieve productietechnieken kunnen gedeponeerd worden om ‘customized’ elektrische en elektronische applicaties met toegevoegde waarde te kunnen produceren.

De 3D-print technologieën gebaseerd op Extrusion Printing, Powder Bed Based Printing, Ink-Jet Printing en Aerosol Jet Printing zal in dit project onderzocht worden. De nieuwe mogelijkheden, het herontwerp van bestaande applicaties en het ontwerp van nieuwe applicaties die met deze technologieën mogelijk zijn worden onderzocht. De mogelijkheden en beperkingen van elk van deze 3D print technologieën wordt aan de hand van industriële en academische casestudies gevalideerd en onderzocht.

Industrie: We verwachten dat de impact van deze technologieën zich niet tot één enkele sector van de technologische industrie zal beperken. De impact verwachten we voornamelijk in de sectoren Mechatronica, Electrotechniek & elektronica, Informatie- & communicatietechnologie, Automobiel, Lucht- en ruimtevaart. De markt van de bovenvermelde sectoren is nog steeds voornamelijk op serie- en massaproductie gericht. De bedoeling van dit project is om ook een belangrijke aanzet te geven voor een verschuiving van deze markt naar ‘customized’ enkelstuks, kleine serie en massa productie. De volgende jaren zal hierdoor een belangrijk innovatiepotentieel ontstaan, met een belangrijk commercieel voordeel voor de relatief grote groep van KMO’s die actief zijn in deze sectoren.
Onderwijs: Het is de bedoeling om de resultaten van het project maximaal te integreren in het curriculum van de opleidingen in de betrokken instellingen voor hoger onderwijs. Hiertoe zal specifiek studiemateriaal ontwikkeld worden.

Tegenwoordig staan ontwikkelaars voor de uitdaging om steeds sneller ‘customized’ producten te kunnen leveren: multimateriaal freeform producten met complexe interne structuren met mechanische, elektrische en elektronische functies. Recente additieve productietechnieken (AM) kunnen deze uitdagingen tegemoet treden. AM een acronym voor ‘Additive Manufacturing’ refereert naar een groep van technologieën die gebruikt wordt om onderdelen en stukken laagsgewijs op te bouwen startend vanuit 3D Computer Aided Design (CAD) data, medische scans, of data afkomstig van 3D scansystemen. Zonder de beperkingen van conventionele productietechnieken, dewelke in de meeste gevallen voordelen zijn voor massaproductie, wordt ontwerpers de vrijheid gegeven om nieuwe applicaties te ontwerpen die voorheen onmogelijk, inefficiënt, te duur of met te lange levertijden gemaakt werden.
Sinds een aantal jaren worden deze recente AM-technologieën voornamelijk gebruikt om mechanische onderdelen te produceren. Dankzij de nieuwe ontwikkelingen in elektrisch geleidende of halfgeleidende materialen, dewelke doorgaans gebruikt worden voor 2D-printen, kunnen nieuwe applicaties die breed toepasbaar zijn met behulp van 3D printen geproduceerd worden. De 3D-print technologieën gebaseerd op Extrusion Printing, Powder Bed Based Printing, Ink-Jet Printing en Aerosol Jet Printing zullen in dit project onderzocht worden. De nieuwe mogelijkheden en beperkingen, het herontwerp van bestaande applicaties en het ontwerp van nieuwe applicaties die met deze technologieën mogelijk zijn worden onderzocht.
Aan de hand van industriële en academische casestudies worden de mogelijkheden en de beperkingen van de industriële toepasbaarheid van de beschikbare materialen en AM-technologieën gevalideerd en onderzocht. De bedrijven van de gebruikerscommissie zullen daarvoor generieke testcases voorstellen. Het is gekend dat op dit moment niet alle beschikbare materialen met de recente AM-technologieën kunnen gedeponeerd worden. Elke technologie heeft zijn eigen specifieke toepassingsgebied en is dikwijls moeilijk of soms zelfs onmogelijk te implementeren in andere toepassingsgebieden. Deze aspecten zullen door een continue interactie met de bedrijven onder de vorm van casestudies onderzocht worden.
Directe valorisatie activiteiten vanuit de casestudie en algemene richtlijnen voor 3D AM van elektrische en elektronische applicaties zullen uitgewerkt worden. Integratie in het onderwijs en de dienstverlening zal voorbereid en uitgewerkt worden tijdens het project.

Bij de start van het project werden er kwaliteitscriteria opgesteld voor de beoordeling van elektrisch geleidende Aerosol Jet geprinte banen. Aan een aantal afbeeldingen van geprinte banen werd een score toegekend. De operator van de machine kan aan de hand van deze afbeeldingen de kwaliteit van zijn geprinte banen inschatten. Omdat deze eerste methode vaak operator afhankelijk is en enkel kwalitatieve (en geen kwantitatieve) data verzameld wordt, werd een geautomatiseerde methode toegepast waarbij een afbeelding wordt gemaakt van de geprinte baan met behulp van een microscoop camera. Vervolgens haalt een eigen ontwikkeld algoritme belangrijke gegevens uit de geprinte baan, zoals: baanbreedte, rand kwaliteit van de baan en overspray. Deze methode werd gedurende de rest van het project gebruikt om de kwaliteit van geprinte banen in kaart te brengen. Het algoritme werd ook verder op punt gesteld tijdens de duur van het project.
Tijdens het verdere verloop van het project werd het duidelijk dat het creëren van volledig afgewerkte elektrische/elektronische applicaties niet mogelijk is met 1 AM technologie. Daarom werd geopteerd om aerosol jet printen (AJP) te combineren, met andere AM technologieën, waaruit een aantal testen voortvloeide in samenwerking met bedrijven uit de gebruikersgroep.
Een eerste reeks testen werd uitgevoerd rond het printen van geleidende zilver banen op fused deposition modeling (FDM) substraten. Hieruit bleek dat het mogelijk was om geleidende banen te leggen op FDM structuren gebruikmakend van AJP. Later in het project zullen er ook rekstrookjes geprint worden op FDM structuren m.b.v. AJP ditmaal gebruikmakend van PEDOT materiaal. Vervolgens werd AJP gecombineerd met stereolithografie (SLA). Uit deze testen bleek dat het gedrag van de inkt op het substraat kan verbeterd worden door de temperatuur van de aerosol te verhogen en door onvolledige uitharding van het substraat. De Duitse partners (Universiteit Erlangen/Nurnberg en Technische Universiteit München) focussen zich op het combineren van Powderbed 3D printing in combinatie met AJP, er werd ook een methode ontwikkeld om elektronische componenten in 3D geprinte onderdelen te positioneren tijdens het printproces, om zo elektrische componenten te embedden. Vervolgens werd AJP gecombineerd met selectief laser smelten (SLM). Omdat de SLM onderdelen zelf elektrisch geleidend zijn, diende hier een diëlektrische coating aangebracht te worden. Tenslotte werd in samenwerking met 2 bedrijven uit de gebruikersgroep een Cu inkt ontwikkeld voor het printen van elektrische weerstanden.

Europees TETRA-programma: EraSME ism Duitsland

Geïnteresseerde bedrijven voor deelname aan gebruikerscommissie kunnen contact opnemen met André Voet of met contactpersoon Wesley Verheecke.

Lessius Hogeschool, Campus De Nayer, Onderzoeksgroepen: Ontwerp & Productie, Embedded System Design: EAVISE, EmSys en EMC-RF-PCC; K.U. Leuven, Afdeling PMA; Universiteit Erlangen-Nuremberg FAPS (Duitsland); Technische Universiteit München IWB (Duitsland)

Lessius Hogeschool, Campus De Nayer. Departement Industriële Wetenschappen, Onderzoeksgroep Ontwerp & Productie (André Voet)
AVL Metal Powders, LayerWise, Amelia (Showled), Exys, ES International, Materialise, Philips Research
Frederik Vogeler
Apparatus Engineering, Design and Modelling / Prototypes, Elektronische schakelingen, componenten en uitrusting
André Voet, Eleonora Ferraris, Flanders' Bike Valley, Frederik Vogeler, Kurt Coppens, Wesley Verheecke
Angela Hardt (Kamp C), Luc Verhoeven (Just Innovation), Desmet Tim (Agfa Materials), Luc Larmuseau (iLLumoo)
Share this on