Ziel der Entwicklung

Ziel dieser Forschungsarbeit war es, eine Fertigungstechnologie zu entwickeln, die es ermöglicht, in Zukunft automatisierbar großflächige, robuste und umformbare Leiterbahnen sowie Sensorik, Aktorik und passive Funktionsschichten in naturfaserverstärkte thermoplastische Leichtbauteile zu integrieren. Hierfür sollte eine Kombination aus Laserstrukturierung und Oberflächenfunktionalisierung mittels Dispenserverfahren genutzt werden. Durch eine Laserbelichtung (mit der Wellenlänge von 10,6 µm oder 355 nm) sollte gezielt die Verbundoberfläche so bearbeitet werden, dass thermoplastisches Matrixmaterial abgetragen (Gräben) sowie Löcher in das textilverstärkte Leichtbauteil gebohrt werden können, um elektrische Schaltungen dreidimensional in Z-Richtung miteinander zu verbinden. In den laserbearbeiteten Bereichen kann die Rauigkeit durch Materialablation in Kombination mit den Laserparametern definiert eingestellt werden. Die Vorstrukturierung der Druckpfade in das Material soll das Eindringen bzw. das Verankern der Druckpaste in bzw. auf der Fläche erleichtern. Außerdem besteht so die Möglichkeit, nicht nur auf das Verbundbauteil zu drucken, sondern in das Bauteil hinein.
Zusätzlich kann eine Aussage über die Verarbeitbarkeit verschiedener leitfähiger Pasten auf Naturfaser-Thermoplast-Verbundoberflächen und der spezifischen Dauerhaftigkeit der Funktionalisierung getroffen werden.

Vorteile und Lösungen

Die in diesem FuE-Vorhaben adressierten Anwendungsgebiete sind großflächige interaktive bzw. verkabelte Oberflächen auf Basis von naturfaserverstärkten Halbzeugen, z. B. in der Anwendung im Innenausbau von Gebäuden, aber auch im Bereich der Mobilität (Automobil, öffentliche Verkehrsmittel, Boote) sowie des Maschinen- und Gerätebaus (Einhausungen). Zukunftsweisend können auch andere Branchen, wie zum Beispiel Medizintechnik, speziell der Produktbereich der Prothetik, als Nutznießer einer solchen Entwicklung angesehen werden. Durch die Forschungsergebnisse werden für die deutsche klein- und mittelständige Industrie in diesen Bereichen die Voraussetzungen geschaffen, um hochwertige und spezialisierte Produktoberflächen zu fertigen, welche verschiedenste interaktive (sensorische und aktorische) Aufgaben und Funktionalisierung übernehmen können.

Folgende identifizierten Fragestellungen konnten im Rahmen des Forschungsvorhabens somit beantwortet werden:

Kann individuelle Fertigungstechnologie für die Herstellung großer Flächen eingesetzt werden und gleichzeitig die in der Produktion notwendige Variantenvielfalt gewährleisten?
-Ja, es kann eine individuelle Technologie eingesetzt werden. Hierbei ist eine Kombination aus Laserbearbeitung und nachfolgender Aufbringung von Leitpaste an industriellen Portalbearbeitungssystemen möglich. Anhand dieser einsetzbaren Prozesse ist eine Fertigung der Variantenvielfalt durchführbar.

Wie kann so eine Fertigungstechnologie im Zusammenspiel mit CAD und CAM aussehen?
-Durch geeignete Repositionierungssysteme wie Watchdock- Erfassungsoptiken kann eine digitalisierte Bearbeitung realisiert werden. Hierbei ist eine optische Aufnahme der gepressten Halbzeuge notwendig. Diese Aufnahmen dienen in Kombination mit Passermarken für Positionierungsanpassungen im Fertigungsprozess für das Endprodukt.

Können naturfaserverstärkte thermoplastische Bauteile mittels Laser so oberflächenvorbehandelt werden, dass sie qualitativ hochwertig mit funktionellen langzeitbeständigen Schichten (elektrisch leitend, dielektrisch) bedruckbar sind?
-Ja, die innerhalb des Projektes hergestellten Versuchsproben zeigten Funktionalität auch innerhalb von hohen Leistungsdurchflüssen über einen langen Zeitraum. Die Oberfläche der Platten lässt eine nachfolgende Furnierung mit anderen Oberflächenmaterialien zu, die eine sehr hohe Varianz des Aussehens und der Schutzfunktionen hinsichtlich einer Alterung bieten können.

Kann eine dreidimensionale Funktionsintegration auf der geschützten Rückseite eines Bauteils und auf der funktionell wichtigen Vorderseite mittels Durchkontaktierungen auf Basis von Lasertechnologie vorgenommen werden?
-Ja, eine Durchkontaktierung ist mit Anpassung der Strukturierungsdateien, die der Bearbeitung zugrunde liegen, mit überschaubarem Arbeitsaufwand umsetzbar. Eine Nachbearbeitung mit Laserbearbeitungssystemen ist über eine Konturerkennung und KI gestützter Bearbeitungsanpassung möglich.

Lassen sich die funktionsintegrierten planaren Organobleche thermisch Umformen?
-Nein, nicht wenn es zu einer starken Umformung kommen muss. Dreidimensionale hochgradige Bauteile sind aufgrund der Nachfließeigenschaften der Leitstrukturen nicht umsetzbar. Jedoch sind Bauteile mit einer geringen Krümmungsanpassung bei ausreichender Dicke der Leitstrukturen umsetzbar.

Kann Silber als elektrisch leitfähiges Material für die drucktechnische Herstellung von Leiterzügen durch das um mindestens den Faktor 3 preiswertere Kupfer abgelöst werden?
-Ja, Silber kann als elektrisch leitfähiges Material durch Kupfer ersetzt werden. Jedoch ist hierbei eine Anpassung der Leiterstruktur hinsichtlich Fläche und Volumen erforderlich.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das Projekt legt den Grundstein, um einen laserbasierten Arbeitsprozess innerhalb des textilen Leichtbausektors einführen zu können und somit eine kundenorientierte individuelle Fertigung von leiterbahnintegrierten Leichtbauelementen zu etablieren.
Neben der möglichen Substitution von intensiven manuellen Fertigungsmethoden innerhalb der Kabelbaumproduktion, bietet das Verfahren eine digitale laserbasierte Fertigungsmethode, die damit ein Alleinstellungsmerkmal und einen hohen Neuheitsgrad aufweist.
Der Prozessansatz adressiert die Herstellung einzelner Muster bzw. Konzepte mithilfe individuell ansteuerbarer Fertigungsprozesse, die es ermöglichen, auf spezielle Kundenwünsche einzugehen und unmittelbar zu reagieren. Darauf baut die Herstellung funktionstüchtiger Einzelstücke im Sinne einer bedarfsgerechten („on-demand“) sowie einer individuellen („customized“) Fertigung auf.
Im Zuge des schnelllebigen Textilmarktes und seines Wandels hin zu einem konsumentenzentrierten Markt (consumer centricity) ist die Erörterung eines einzelnen bestehenden Marktes nicht umfassend genug. Innovative Fertigungswerkzeuge (wie die Laseroberflächenstrukturierung) adressieren mehrere relevante Marktbereiche von der Automobilindustrie, über Caravanbau hin zu Integrationsmöglichkeiten innerhalb der Bootsfertigung. Die daraus resultierende digitale Fertigung ist somit auf all diese Bereiche übertragbar. Die Prozessinnovation an sich bedient Kundenwünsche, die in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen haben, wie zero waste, recycling/upcycling, ökologische Produktion, fair trade, social design, CradleToCradle und Transparenz.
Es ist davon auszugehen, dass mit der vorgesehenen Entwicklung ein entsprechender zeit- und damit kostentechnischer Vorsprung erreicht wird, der Kunden europaweit interessiert.
Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen die Unternehmen der betreffenden Produktionsgebiete unbedingt Ressourcen, wie Primärprodukte, Gewicht und Energie, einsparen. Die hier vorgestellte Fertigungsmethode muss deshalb in den Produktionsprozessen etabliert werden.
Technische Textilien sind die wichtigsten Leistungsträger der Textil- und Bekleidungsbranche, insbesondere in den hochentwickelten (Hochlohn-)Ländern.
Die Projektergebnisse revolutionieren damit die Fertigung von kundenindividualisierten Lösungen im Caravansektor, da auf kostenintensive Kabelbaumfertigung und -verlegung verzichtet werden kann (immense Gewichtseinsparung, Ressourcenschonung sowie minimale Prozesszeiten, da nur der benötigte Druckbereich ortsaufgelöst vorbehandelt wird. Es wird somit ein Beitrag zum Wachstum eines wichtigen Marktsegmentes und damit auch zur Sicherung und Erweiterung der Arbeitsplätze geliefert.