Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke Konzepte, Konstruktionen und ... · Das MID-Applikationszentrum MIDAZ...

Prof. Dr.-Ing. Jörg FrankeLehrstuhl für Fertigungsautomatisierungund Produktionssystematik

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Konzepte, Konstruktionen und Kleinserien am MID-Applikationszentrum MIDAZ

Mechatronic Integrated Devices (MID): Neue Werkstoffe − Neue Prozesse − Neue AnwendungenFachworkshop am 13.02.2014 in Nürnberg

Prof. Jörg Franke | Konzepte, Konstruktionen und Kleinserien am MID-Applikationszentrum MIDAZ

Das MID-Applikationszentrum MIDAZ ist am Lehrstuhl FAPS in den Gebäuden auf AEG integriert.

2Prof. Jörg Franke | Konzepte, Konstruktionen und Kleinserien am MID-Applikationszentrum MIDAZ

1. Position des MID-Applikationszentrum am FAPS an der FAU

2. Die Forschungsvereinigung 3-D MID e.V.

3. Motivation und Leistungsumfang des MIDAZ

Struktur der Friedrich-Alexander-UniversitätErlangen-Nürnberg.


Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg37.891 Studenten - 13.000 Personal - 653 Professoren - 335 Lehrstühle

Philosophische Fakultät und Fachbereich Theologie

Naturwissenschaftliche Fakultät

Rechts- und Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät

Medizinische Fakultät

Technische Fakultät

Departments

Elektro-und Kommunikationstechnik

Chemie und Bioingenieurwesen

Werkstoffwissenschaften

Maschinenbau

Informatik

14 Lehrst.

10 Lehrst.

9 Lehrst.

8 Lehrst.

12 Lehrst.

Fakultäten

Das Department Maschinenbau an der Technischen Fakultät untergliedert sichin acht Lehrstühle mit vorwiegend fertigungstechnischer Ausrichtung.


Zuständig für die ingenieurwissenschaftliche Ausbildung von mehr als 5.500 Studierenden!

Studiengänge

Maschinenbau

International Production Engineeringand Management

Mechatronik

Wirtschaftsingenieurwesen

Energietechnik

Medizintechnik

Lehrstühle des Departments Maschinenbau

Fertigungstechnologie

Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik

Technische Mechanik

Kunststofftechnik

Qualitätsmanagement und Fertigungsmesstechnik

Photonische Technologien

Technische Dynamik

Konstruktionstechnik

Die vielseitige und fundierte Ausbildung sowie neue Studiengänge führen zu einem signifikanten Wachstum der Studierendenzahl am Department.


1982

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

Intern. Production Engineering &ManagementEnergietechnik

Medizintechnik

Mechatronik

Wirtschaftsingenieurwesen

Maschinenbau

Jahr

Anzahl Studierender am Department Maschinenbau:

548

826

695

503

1493

1529

ges. 5594

Der Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematikbeschäftigt über 80 Mitarbeiter in 4 Arbeitsgruppen und 2 Standorten.


Forschungslabor AutomationTechnische Fakultät Erlangen

Elektro-maschinenbau

Elektronik-produktion

Bio-Mechatronik

Elektronik- & Elektromotorenproduktionauf AEG Nürnberg

SystemEngineering

Ziel der Forschungsvereinigung 3-D MID e.V. ist die Förderung und Weiterentwicklung der MID-Technologie.


Interne KooperationenExterne Öffentlichkeitsarbeit

Homepage

Die Homepage alsPlattform füraktuelleInformationen

Messen/ Kongresse Technologietransfer

und Öffentlichkeits-arbeit durchMessen und Kongresse

Veröffentlichungen Veröffentlichungen

zur PräsentationaktuellerEntwicklungen

Arbeitsgruppen Aktivitäten mit

begleitendemAusschuss der Industrie

Workshops Workshops zur

FestlegungzukünftigerSchwerpunkte

Forschungsprojekte

Öffentlich und auseigenen MittelnfinanzierteForschungsprojekte

Die aktuellen Forschungsprojekte decken die gesamte MID Prozesskette ab und sind sehr industrienah ausgerichtet.


Konstruktion & Engineering

Qualität & Zuverlässigkeit

3D Bestückung& AVT

Produktions-prozesse

Substrat-materialien

3D-MID Layout

Leiterbahn Verlauf für 3D-MID Bauteile und Überprüfung der Konstruktionsricht-linien

AFDiBa

LDS fähige PBT-Pulverschüttungen zu Gehäusebauteilen mit Leiterbahnstrukturen verarbeiten

Rotorbasiertes 3D-MID Handling

Strukturierung von 3D-MID mit Industrierobotern

Automatisierte 3D-MID Montage

3D-MID Montage mit Standard- SMT-Produktionsanlagen

LDS MID ChaMP

Charakterisierung von Methoden zur Prüfung von Leiterbahnen auf 3D-MID

Die positive Mitgliederentwicklung der Forschungsvereinigungbelegt das zunehmende Interesse an der Technologie 3D-MID.


Stand 01.01.2012: 82 Mitglieder

Stand 01.01.2013: 90 Mitglieder

Stand aktuell: 92 Mitglieder

Deutschland Österreich Schweiz Niederlande Frankreich Italien USA

Design & Engineering

Materials

Tooling & Molding

Structuring & Metallization

Assembly & Connection

Components

Systems 18

18

12

10

14

14

6

Das Netzwerk 3-D MID umfasst aktuell 92 Mitglieder aus allen MID-relevanten Kompetenzbereichen.


(07.09.12)

Design & Engineering Tooling & Molding Structuring & Metallization Assembly & Connection

MECADTRON BUSS Atotech Eaton 2E mechatronic BMWPLEXPERT Castsolut Collini (CH) Dage Deutschland HASEC Cicor (CH)

FED CRP (IT) FMB Essemtec (CH) Mektec ContinentalHochschule Ostfalia - IfR DODUCO IMO Fritsch MID-TRONIC Festo

Uni Paderborn - HNI INOTECH Laser Micronics Häcker ODU HARTING Mitronics (CH)Uni Weimar - Design Jaudas LPKF Heicks pretema Hoffmann + Krippner

6 PEP (FR) Lüberg HENKEL Seuffer LEONIPKT MID Solutions IBL TDK-EPC Robert Bosch

Materials RF Plast Neotech Infotech TE Connectivity Salcon InternationalRKT Panasonic Siemens Zollner Viscom

DOW Walter Söhner Plasmatreat XENON 10 Fraunhofer IPT-EMDSM (NL) WWS Reinhausen Plasma Fraunhofer IZM HSG-IMATEMS (CH) TU Chemnitz - Kunststoffe Vipem 12 KIT - wbk

Ensinger (AT) Uni Erl-Nbg - LKT BLZ TNO (NL)Enthone 14 Fraunhofer IST Uni Akron (US)Evonik GSO Hochschule - KAM Uni Erl-Nbg - FAPS

MacDermid (US) LZH Uni Hannover - HFTMEP (NL) Uni Erl-Nbg - LPT Uni Magdeburg - IMOSRaschig 18 18Ticona

Fraunhofer IFAMHochschule AalenUni Erl-Nbg - LSP

Uni Erl-Nbg - WW3 Companies14 Institutes

Components & Systems

Im April 2013 ist das neue überarbeitete Standardwerk zur Technologie MID:„Räumliche Elektronische Baugruppen (3D-MID)“ erschienen.


Umfassender Überblick über den aktuellen Stand

der 3D-MID-Technik:

Mechatronische Integrationspotenziale durch MID

Werkstoffe

Formgebung

Strukturierung

Metallisierung

Montagetechnik

Verbindungstechnik

Qualität und Zuverlässigkeit

Prototyping

Integrative Entwicklung von MID-Bauteilen

Fallstudien

Ab sofort verfügbar bei der Forschungsvereinigung 3-D MID e.V. unter www.3dmid.de

Steigende Produktanforderungen führen zu einer Weiterentwicklung von Molded Interconnect Devices zu Mechatronic Integrated Devices.


MechatronicIntegrated

Devices

Intelligentere Systeme Komplexe Bauelemente (ASICs, ICs)

Softwarefunktionalität

Höhere Komplexität Zusätzliche Funktionen

Optisch, thermisch, fluidisch etc.

Angepasstes Substratmaterial Multi-material Design

Kunststoffe, Metalle, Keramiken

MoldedInterconnect

Devices

ElektrischeFunktionen

Mechanische Funktionen

Sources: HARTING, Kromberg & Schubert, FAPS, 2E mechatronic, Robert Bosch

Material

Metals

Plastics

Ceramics

Hybrid

Function

Der Fachworkshop beleuchtet drei der aktuellsten und innovativsten Applikationen der 3D-MID Technik.


MID-OLED2E mechatronic GmbH & Co. KGOSRAM Opto Semiconductors GmbH

Circular Connector M12HARTING AG MitronicsHARTING EC

CCD Sensor Carrier MIDHARTING AG Mitronics

Connector ModuleCicor Technologies Ltd.

Sector: Lighting technology, consumer

Technology: Laserdirectstructuring

Quantity: 2.000 – 10.000 p.a.Source: OSRAM

Source: HARTING

Source: HARTING

Source: Cicor

Sector: Industrial automation, data

Technology: Two-shot injection molding

Quantity: 100.000 p.a.

Sector: Industrial, traffic, security



Sector: Medical, industrial, defence



Der neue MIDster verbindet Designelemente und Funktionalität als intelligente dreidimensionale Baugruppe.


Gestaltungsfreiheit- Hinterschneidungen- Winkel und Kanten- Beliebige Freiformflächen

Verbindung von Design und verschiedenen Funktionen

Nutzung der kompletten Oberfläche- Elektrische Schaltung- Antennen- Logos

14


Potenziale von

MoldedInterconnect

Devices

Produktbasierte Vorteile Produktionstechn. Potentiale

Kosten-reduktion

Erhöhte Zuverlässigkeit

VerkürzteProzessketten

Teile-reduzierung

Optimales MID-Design

Umwelt-verträglichkeit

Miniaturi-sierung

Gewichts-reduzierung

Funktions-integration

Chemische Beständigkeit

Elektrische Eigenschaften

Komplexität der Leiterbildstruktur

Thermische Anforderungen

Technische Anforderungen

Herausforderungmechatronischer

Systeme Leiterbahn-breite

Durch-kontaktierung

3D-Fähigkeit Metallisierungs-haftung

Prozessseitige Möglichkeiten

15

Herausforderungen mechatronischer Systeme, werden im optimalen MID-Design bei der Herstellung von 3D-MID Bauteilen gelöst

Kleinserien-fertigung

Zuverlässig-keitsanalysen,Produktquali-fizierung

Produktions-planung und Simulation

HerstellungfunktionalerPrototypen

Entwicklungmecha-tronischerBaugruppen

MIDAZ unterstützt bei Entwicklung, Prototypen-Fertigung sowie Produktionsplanung für mechatronisch integrierte Produkte.


Funktionsorientierte Konzeption des ProduktesFertigungsoptimale Produktgestaltung

Integriertes elektr./mechan. DesignGeringe Anwendungserfahrung

Vielfalt an WerkstoffenKomplexität der Prozesskette

FunktionsintegrationMiniaturisierung

Hohe ZuverlässigkeitKostensenkung

Anforderung Herausforderung

MIDAZ unterstützt über den gesamten Entwicklungsprozess

Selektion geeigneter Anwen-dungen

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Die Entwicklung räumlicher elektronischer Schaltungsträger (3D-MID) erfordert spezielles Know-how und geeignete Tools.


Untersuchung bestehender und neuer Produkte und Produkttechnologien mit speziellen Software-Werkzeugen zur Applikations- und Wirtschaftlichkeitsanalyse

Beratung hinsichtlich möglicher Produktoptimierungen bzw. neuer Produktideen Funktionsorientierte Konzeption des Produktes:

Integration thermischer, optischer, fluidischer, mechanischer und elektrischer Funktionalität

Integriertes Design des mechanischen und elektrischen Aufbaus in 3D-ECAD Werkstoffeinsatzberatung, Werkstoffqualifizierung Fertigungsoptimale Produktgestaltung (Design for Manufacturing) mithilfe

rechnergestützter Simulationssysteme (insb. Prozess-, Kinematik-, diskrete Anlagensimulation)

Zuverlässigkeitsuntersuchungen Optische und zerstörende Prüfungen

Beispiel MID-Demonstrator

Projektion Schaltbild

17

Zur Herstellung funktionaler Prototypen stehen am MIDAZ verschiedene Technologien zur Verfügung.


Technologien zur Herstellung von Prototypen Stereolithografie Mikro-Fräsen aus Standard-LDS-Materialien PU-Abguss über Silikonform für Stückzahlen Rapid Tooling für Stückzahlen größer 100

Strukturierung und Metallisierung Heißprägen Aerosol-Jetting (Optomec) Plasmastrukturieren (Rheinhausen Plasmadust) Laserstrukturierung (LPKF-LDS® und ProtoPaint) und

chemische Metallisierung (z.B. Cu-Ni-Au) Elektronik-Montage-Technologien

Verbindungstechnologie mit Leitkleber und niedrigschmelzenden Lotpasten Flexible Handbestückung – auch für extrem kleine Bauformen geeignet Automatisierte 3D-Bestückung für Präzionsanforderungen Angepasste Löttechnologie (z.B. Dampfphasenlöten oder selektive Lötverfahren)

Test- und Zuverlässigkeitsuntersuchungen Elektrischer Funktionstest Zuverlässigkeitsanalysen (Temperaturwechsel, -Schock-, Vibrations-Testsysteme) Optische und zerstörende Prüfungen

18

Der flexible Einstieg in die Strukturierung von 3-D-MID wird durch LPKF-LDS® und ProtoPaint ermöglicht.


Vorteile von LPKF-LDS® Zahlreiche Substratwerkstoffe mit LDS-Additiv verfügbar Einkomponenten-Spritzgussverfahren nutzbar Einfache Datenaufbereitung von CAD-Modellen durch integrierte

Software Individuelle Werkstückaufnahmen gewährleisten volle

Dreidimensionalität ProtoPaint: LDS-Lack für herkömmliche Kunststoffe nutzbar

Quelle: LPKF

Quelle: LPKF

Quelle: LPKFQuelle: LPKF

19

Der Lehrstuhl FAPS untersucht verschiedene Verfahren zur Strukturierung dreidimensionaler Schaltungsträger.

15.02.2014 20Prof. Jörg Franke | Konzepte, Konstruktionen und Kleinserien am MID-Applikationszentrum MIDAZ

ReinhausenPlasmaDust

Erzeugung der Strukturen durch Relativbewegung

Prozessdüse zu Substrat oder Substrat zu Prozessdüse.

NeotechAerosol Jet Printing

Erzeugung der Strukturen durch Relativbewegung

Prozessdüse zu Substrat oder Substrat zu Prozessdüse.

LPKFLaserdirektstrukturierung

Nutzung von einem oder mehreren Laserscanner-Einheiten zur gezielten

Auslenkung des Laserstrahls und Bestrahlung des Substrats.

Quelle: Reinhausen

Additive Metallisierung des Substrats aus einem kalt-aktiven

Atmosphärendruck-Plasma. Kontinuierliches Fördern und

Aufbringen des Beschichtungspulvers über den

Plasmastrahl.

Aktivierung des dem Substratmaterial zugesetzten

Additiv durch Laserbestrahlung bei gleichzeitiger Erzeugung einer

mikrorauen Oberfläche. Anschließende chemische

Metallisierung im Bad.

Drucktechnologie zum Aufbringen in einem Schutzgas geförderter

funktionaler Tinten auf miniaturisierte 3D-Baugruppen.

DrucktechnologienChemische Metallisierung

Quelle: LPKF Quelle: Neotech

Feine elektrische Strukturen können mittels dreidimensionaler Drucktechnik - Aerosol-Jet erzeugt werden.


Vorteile von Aerosol-Jet Feinste Strukturen (< 100 µm) Drucken von Funktionselementen (Leiterbahn, Widerstand) Breites Spektrum an Materialeigenschaften des Druckmediums Komplexe 3D-Formen durch kontaktlosen Prozess möglich Vollständig additiver Prozess substituiert chemische Metallisierung

Bildquelle: Neotech

Bildquelle: Neotech

Bildquelle: Neotech

21

Eine innovative Beschichtung von Kunststoffen bietet kaltaktives Atmosphärenplasma plasmadust®.


Vorteile von plasmadust® Niedrige thermische Belastung des Substrats (10 – 150 °C) Variabilität der Substrate (Polymere, Metalle, Glas, Textil) Variabilität der Beschichtungsmaterialien (Metalle, Halbleiter,

Polymere) Flexible Schichtdicken herstellbar (1 – 200 µm) 3D-fähig durch flexibles Handhabungssystem

Quelle: Reinhausen Plasma




22

Die Kleinserienfertigung wird von qualifizierten Kooperationspartnern unterstützt.


Verfahrensentwicklung für die spezifischen Herausforderungen der Fertigung von 3D-MID

Entwicklung qualifizierter Prozesse für die gesamte Prozesskette (Aufbau des Schaltungsträgers, Strukturierung und Metallisierung, 3D-Montage)

Anlagentechnik für die Elektronikproduktion am Lehrstuhl FAPS Schablonendrucker Dispenser Standard-SMD-Bestückautomaten Automatisierter 3D-Bestücktechnologie Technologien zur flexiblen Handbestückung Konvektionslötanlage Selektivwellen-, Licht- und

Dampfphasenlötanlagen Au- und Al-Drahtbonder

Die Bilder zeigen eine Füllsimulation von PLEXPERT.

23

Zuverlässigkeitsuntersuchungen und Produktqualifizierungen werdenentsprechend den Anforderungen des Produkteinsatzes durchgeführt.


Zuverlässigkeitsuntersuchungen Prüfschränke für

Temperatur/Feuchte-wechsel und Temperaturschock

Elektrodynamischer Schwingerreger mit aufgesetzter Klima-Kammer

Optische Prüfungen: Röntgenanalysen Lichtmikroskopie 3D-Laserscanning Konfokales Laserscanmikroskop Thermografie-Aufnahmen Röntgenfluoreszenz-

Schichtdickenmessungen Hochgeschwindigkeitsaufnahmen Optische Koordinatenmessungen

Zerstörende Prüfungen Schältest Stirnabzug Pull- und Schertest Schliffbilduntersuchungen

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Die Zukunft der 3D-MID Technologie wird am FAPS durch das MIDAZ mitgetragen.


Die Technologie 3D-MID hat den Durchbruch geschafft…

MID-Herstellungsverfahren sind serienreif entwickelt,die Technologie 3D-MID wird beherrscht.

Zahlreiche Applikationen werden in Serie umgesetzt, auch in hochvolumiger Produktion.

Verschiedene Marktsegmente nutzen die Technologie 3D-MID, auch die Automobilindustrie für sicherheitsrelevante Funktionen.

Der weitere Fortschritt ist kein Selbstläufer…

Intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit muss geleistet werden:

Materialien (z. B. Duroplaste, HT-Thermoplaste, Keramik)

Angepasste Aufbau- und Verbindungstechnik für 3D-MID

Hocheffiziente Fertigungsanlagen

Erweiterte Fertigungskompetenzen in Europa

Standardisierung/Normen für 3D-MID

Egerlandstraße 7-9 Tel.: +49.9131.8527569D-91058 Erlangen Fax: +49.9131.302528

www.faps.uni-erlangen.de

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Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-NürnbergDANKE


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