Neue Methodik zur Optimierung von Druckverfahren für die Herstellung funktionaler Mikrostrukturen und hybrider elektronischer Schaltungen:
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| Format: | Thesis Book |
| Language: | German |
| Published: |
Karlsruhe
[2020]
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|---|---|
| adam_text | Neue Methodik zur Optimierung von Druckverfahren
für die Herstellung funktionaler Mikrostrukturen und
hybrider elektronischer Schaltungen
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
DOKTORS DER INGENIEURWISSENSCHAFTEN (DR -ING )
von der KIT-Fakultät für Maschinenbau des
Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)
angenommene
DISSERTATION
von
Dipl -Ing Martin Ungerer
geboren in Pforzheim
Tag der mündlichen Prüfung: 04 Februar 2020
Hauptreferent: Prof Dr -Ing habil G Bretthauer
Korreferenten: Prof Dr M J Hoffmann
PD Dr -Ing habil U Gengenbach
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis vii
Tabellenverzeichnis xv
Abkiirzungsverzeichnis xix
Symbolverzeichnis Formelzeichen xxi
1 Einleitung 1
1 1 Bedeutung von Drucktechnologien für die Herstellung funktionaler Mikrostrukturen 1
12 Entwicklungs 2
1 21 Einkanalige digitale Druckverfahren für die gedruckte Elektronik 2
122 Grundstruktur vektorieller Drucksysteme 2 0 on 12
123 Materialien und Hilfsprozesse für die gedruckte und hybride Elektronik 13
124 Einflussfaktoren auf die Fertigungsualtät nn 20
1,3 Ziele und Aufgaben 23
2 Neue Methodik zur Optimierung druckprozessbasierter Fertigungsverfahren 25
2 1 Anforderungen an den Fortigumgsprozess 2 22 25
211 Neue Produktgestaltungsmöglichkeiten additiver Fertigungsverfahren 25
212 Anforderungen an das Produkt nn 26
213 Anforderungen an den Prozess 22 2220 26
214 Vollständig digitaler Fertigungsprozess 22 02 26
215 Fortigungsprozesskette 22222222200 28
2 2 Methodische Vorgehensweise 222 3
2 3 Vorgehensweise zur Auffindung robuster Druckparameter 222 33
231 Vorgehensweise zur Evaluierung der Druckbarkeit funktionaler Tinten für den
Extrusionsdruck 22 22 34
232 Vorgehensweise zur Evaluierung der Druckbarkeit funktionaler Tinten für den
Piezo-Inkjet-Druck 222022202 en 36
233 Vorgehensweise zur Evaluierung der Bedruckbarkeit von Substraten 40
2 4 Zusammenstellung der verwendeten Tinten, Substrate, Druckköpfe und Prozesspara-
en en 44
2 5 Zusammenfassung 2 2 nn 46
3 Neue Hardwarerealisierungen 47
3 1 Neues System für den reproduzierbaren und zuverlässigen Extrusionsdruck 47
311 Entwicklung von Druckköpfen für den Bxtrusionsdruck 2~ , 47
312 Entwicklung der neuen Grundplattform MBBST oo oo on 49
313 Realisierung eines Extrusionsdruckprozesses zum Bedrucken planarer und
Mexibler Substrate in 2D und 3D 2 2 22 50
314 Realisierung eines Extrusionsdruckprozesses zum Bedrucken rotationssymme-
Grischer Bauteile © 52
315 Evaluierung des Extrusionsdruckprozesses für Strukturen auf gekrümmten
Substraten en 56
3 2 Neues System für den reproduzierbaren und zuverlässigen Piezo-Inkjet-Druck 57
321 Analyse des vorhandenen Systems und Optimierung des Druckkopfes 57
Inhaltsverzeichnis
Entwicklung nn 57
ae Komplettes Ine Dem eee eee ee Mn
394 Evaluierung ner Prüfstands zur Evaluierung der Spreitung von Inkjet-
325 Realisierung ¢ ern 60
Mentropeen nennt nn 0
3 3 Zusammenfassung rt
i verfahren
4 Experimentelle Ed wi Extrusionsdrucie nn a
isse Ds-Dru ne
“ cken vollständiger Tegtstrukturen nt on on rn 6
412 Be Linsen nn 65
48 Ergebnisse Dm-Druckdüsen 77 rn 65
421 Parameterstudien nn BEE 5
422 Bang LI len 89
4 3 Ergebnisse Dp-Druckdüsen 277700 tee
431 Parameterstudien Linienstrukturen 69
432 Drucken vollständiger Teststrukturen cn nn 74
433 Drucken von dreidimensionalen Teststrukturen auf Glas © + st te 77
43 4 Bewertung sos 78
4 4 Zusammenfassung nn 78
5 Evaluierung ausgewählter Tinte-Inkjet-Drucksystem-Substrat Kombinationen 81
5 1 Evaluierung der Druckbarkeit ausgewählter funktionaler Tinten re 81
51 1 Tinten Ti4, Tid und Ti6 und 50um-Druckkopf een 81
512 Weitere Tinten und 50 pm-Druckkopf Cees 84
5 2 Evaluierung der Bedruckbarkeit ausgewählter Substrate Heer 89
521 Evaluierung der Benetzung von Tintentropfen auf PET ern 89
5 22 Evaluierung von Tropfenspreitung und -trocknung auf Glas 92
523 Bewertung ernennen 93
53 Zusammenfassung -- +22 ee eset 93
6 Experimentelie Ergebnisse fiir das neue Inkjet-Druckverfahren 95
6 1 Ergebnisse fir Testlinienstrukturen Leiterbahnen ee ee tt 95
611 Parameter für das Drucken von Kontaktflächen - cent 95
612 Parametervariation: Linien ohne Kontaktflächen - --- +--+ 97
613 Parametervariation: Linien mit Kontaktflächen ------ eset 100
614 Linienbreiten kleiner als Einzeltropfendurchmesser - ern 103
615 Reproduzierbarkeit lernen 108
6 2 En een ungesinterter Teststrukturen 622 eee ee te 106
621 Wid Testlinenstrukturen Widerstände 02 20-02 et ‚1
622 aa mit Kontaktflächen aus Kohlenstoff --- 110
So ands nien mit Kontaktflächen aus Silber rer 2
63 23 igenschaften Widerstandsstrukturen u
3 Ergebnisse der Nachbehandlung LI
ae de Bee ee 119
ensintern 2 2 004, 6
es Blitzlicht-Sintern ELLI ia
3 3 Vergleich der Sin sons LIDL DI 8
ter
6 4 Zusammenfassung ergebnisse 130
i , i
Uitraschall-Plotty
a erfahren und Aerosol
71 Optimierung des Ultraschall Plott ot and „er Druckverfahren a
711 Problemi nu: STIANTeNS 2 2
rh emidentiizierng , ee
1 2 Optimiertes Dispenser-Konzept Site
Inhaltsverzeichnis Y
713 Experimentelle Evaluierung - - »- 6 eee ee ee ee ee ee 132
7 14 Varianten 2 ee eee 133
7 2 Neuentwicklung des Aerosol on Demand Jet-Druckverfahrens 134
721 Problemidentifizierung 6 6 ee ee eee 135
722 Neues Aerosol on Demand Konzept - 0 220000 00 ee ee 135
723 Simulative Evaluierung 2 ee ee 138
724 Experimentelle Evaluierung © 6 ee ee eee 139
725 Varianten 6 ee ee 140
73 Zusammenfassung 2 ee ee 140
8 Anwendung der gesamtheitlichen Fertigungsstrategie anhand ausgewählter Beispiele 141
8 1 Spulen für die Kernspinresonanz-Probenanalyse 2222 ennnn 141
811 Hintergrund 2 ee ee 141
812 Silber-Solenoidspulen 2 1 ee ee 143
813 Silber-Sattelspulen 2 ee 148
814 Fazit und Zusammenfassung 00 2200000002000 00048 151
8 2 Flexible hybride elektronische Schaltungen 2 2er 151
82 1 Hintergrund 2 0 een ernennen 152
822 Demonstrator Blinkerschaltung ee ee ee ee ee ee 152
823 Demonstrator Summerschaltung 2 6 ee ee ee ee 153
824 Fazit und Zusammenfassung 1 ee 164
8 3 Neue Fertigungsansatze fiir smarte Kontaktlinsensysteme 164
831 Hintergrund 22 Common en 164
832 Materialien und Teststrukturen 2 222220 ee es 166
833 Versuchsdurchführung 2 222 corner 169
834 Auswertung 6 171
83 5 Vergleich und Fazit 2 2 eee 178
8 4 Zusammenfassung 2 ee ee 179
9 Zusammenfassung 181
Literaturverzeichnis 185
A Anhang 205
A 1 Anforderungen an das neue Extrusionsdrucksystem 2 2222020 205
A 2 Anforderungen an das neue Piezo-Inkjet-Drucksystem 2 220er e0enn 206
A 3 Entwicklung des neuen Piezo-Inkjet-Drucksystems 22 207
A31 Evaluierung der bestehenden Systemkomponenten - 207
A32 Optimierung des Piezo-Inkjet-Basis-Systems von MicroPab 210
A A Bewertung von Fehlern und Ursachen, Bestimmung von Risiken und Priorisierung
der Fehler 2 es 219
A 5 Optimierter Reinigungsprozess fiir den neuen Piezo-Inkjet-Druckkopf 231
A 6 Steuerung Piezo-Inkjet-Drucksystem MiBBS II 2 2 eee eee ee 232
|
| adam_txt |
Neue Methodik zur Optimierung von Druckverfahren
für die Herstellung funktionaler Mikrostrukturen und
hybrider elektronischer Schaltungen
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
DOKTORS DER INGENIEURWISSENSCHAFTEN (DR -ING )
von der KIT-Fakultät für Maschinenbau des
Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)
angenommene
DISSERTATION
von
Dipl -Ing Martin Ungerer
geboren in Pforzheim
Tag der mündlichen Prüfung: 04 Februar 2020
Hauptreferent: Prof Dr -Ing habil G Bretthauer
Korreferenten: Prof Dr M J Hoffmann
PD Dr -Ing habil U Gengenbach
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis vii
Tabellenverzeichnis xv
Abkiirzungsverzeichnis xix
Symbolverzeichnis Formelzeichen xxi
1 Einleitung 1
1 1 Bedeutung von Drucktechnologien für die Herstellung funktionaler Mikrostrukturen 1
12 Entwicklungs 2
1 21 Einkanalige digitale Druckverfahren für die gedruckte Elektronik 2
122 Grundstruktur vektorieller Drucksysteme 2 0 on 12
123 Materialien und Hilfsprozesse für die gedruckte und hybride Elektronik 13
124 Einflussfaktoren auf die Fertigungsualtät nn 20
1,3 Ziele und Aufgaben 23
2 Neue Methodik zur Optimierung druckprozessbasierter Fertigungsverfahren 25
2 1 Anforderungen an den Fortigumgsprozess 2 22 25
211 Neue Produktgestaltungsmöglichkeiten additiver Fertigungsverfahren 25
212 Anforderungen an das Produkt nn 26
213 Anforderungen an den Prozess 22 2220 26
214 Vollständig digitaler Fertigungsprozess 22 02 26
215 Fortigungsprozesskette 22222222200 28
2 2 Methodische Vorgehensweise 222 3
2 3 Vorgehensweise zur Auffindung robuster Druckparameter 222 33
231 Vorgehensweise zur Evaluierung der Druckbarkeit funktionaler Tinten für den
Extrusionsdruck 22 22 34
232 Vorgehensweise zur Evaluierung der Druckbarkeit funktionaler Tinten für den
Piezo-Inkjet-Druck 222022202 en 36
233 Vorgehensweise zur Evaluierung der Bedruckbarkeit von Substraten 40
2 4 Zusammenstellung der verwendeten Tinten, Substrate, Druckköpfe und Prozesspara-
en en 44
2 5 Zusammenfassung 2 2 nn 46
3 Neue Hardwarerealisierungen 47
3 1 Neues System für den reproduzierbaren und zuverlässigen Extrusionsdruck 47
311 Entwicklung von Druckköpfen für den Bxtrusionsdruck 2~ , 47
312 Entwicklung der neuen Grundplattform MBBST oo oo on 49
313 Realisierung eines Extrusionsdruckprozesses zum Bedrucken planarer und
Mexibler Substrate in 2D und 3D 2 2 22 50
314 Realisierung eines Extrusionsdruckprozesses zum Bedrucken rotationssymme-
Grischer Bauteile © 52
315 Evaluierung des Extrusionsdruckprozesses für Strukturen auf gekrümmten
Substraten en 56
3 2 Neues System für den reproduzierbaren und zuverlässigen Piezo-Inkjet-Druck 57
321 Analyse des vorhandenen Systems und Optimierung des Druckkopfes 57
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Entwicklung nn 57
ae Komplettes Ine Dem eee eee ee Mn
394 Evaluierung ner Prüfstands zur Evaluierung der Spreitung von Inkjet-
325 Realisierung ¢ ern 60
Mentropeen nennt nn 0
3 3 Zusammenfassung rt
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isse Ds-Dru ne
“ cken vollständiger Tegtstrukturen nt on on rn 6
412 Be Linsen nn 65
48 Ergebnisse Dm-Druckdüsen 77 rn 65
421 Parameterstudien nn BEE 5
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4 3 Ergebnisse Dp-Druckdüsen 277700 tee
431 Parameterstudien Linienstrukturen 69
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5 1 Evaluierung der Druckbarkeit ausgewählter funktionaler Tinten re 81
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521 Evaluierung der Benetzung von Tintentropfen auf PET ern 89
5 22 Evaluierung von Tropfenspreitung und -trocknung auf Glas 92
523 Bewertung ernennen 93
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832 Materialien und Teststrukturen 2 222220 ee es 166
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8 4 Zusammenfassung 2 ee ee 179
9 Zusammenfassung 181
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A Anhang 205
A 1 Anforderungen an das neue Extrusionsdrucksystem 2 2222020 205
A 2 Anforderungen an das neue Piezo-Inkjet-Drucksystem 2 220er e0enn 206
A 3 Entwicklung des neuen Piezo-Inkjet-Drucksystems 22 207
A31 Evaluierung der bestehenden Systemkomponenten - 207
A32 Optimierung des Piezo-Inkjet-Basis-Systems von MicroPab 210
A A Bewertung von Fehlern und Ursachen, Bestimmung von Risiken und Priorisierung
der Fehler 2 es 219
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