Von allen Herstellungs- und Prototyping-Verfahren ist der 3D-Druck bei Weitem am häufigsten Thema in den Medien und Gegenstand der meisten Online-Projekte. Er ist praktisch für jedermann zugänglich. Diese vermeintlich neue Technologie nahm bereits in den 1980er Jahren ihren Anfang, als das Unternehmen 3D Systems ein Patent für die 3D-Konstruktion von Modellen mittels Stereolithographie anmeldete.
Dennoch sind 3D-Drucker erst seit Kurzem für Privatanwender verfügbar. Grund dafür ist die Verwendung solcher Patente, die ihre Entwicklung, Herstellung und Verbreitung verhindert haben. Dies ist auch ein hervorragendes Beispiel dafür, wie Patente den Fortschritt bremsen können, und spricht eindeutig gegen Patente. Die Technologie ist also seit den 1980er Jahren verfügbar, aber es dauerte drei Jahrzehnte, bis sie weiterentwickelt wurde.
Die meisten 3D-Drucker spleißen ein 3D-Design in viele kleine horizontale 2D-Schichten und drucken dann die einzelnen 2D-Schichten übereinander. Das gängigste Druckmaterial ist ein Thermoplast, der auf eine Rolle gewickelt ist. Er wird als dickflüssige Masse aus einer heißen Düse gepresst, d. h. extrudiert. Einige 3D-Drucker können Modelle aus Papier herstellen. Dabei wird jede Schicht aus dem Papier ausgeschnitten und anschließend auf die nächste Schicht geklebt. Exotischere Systeme verwenden Metallstaub zum Lasersintern.
Was ist 3D-gedruckte Elektronik?
Unter 3D-gedruckter Elektronik versteht man elektronische Komponenten, die in einem additiven Verfahren mit einem Drucker hergestellt werden. Der Begriff „3D-gedruckte Elektronik“ kann jedoch leicht missverstanden werden, denn 2D-gedruckte Elektronik gilt nicht immer als 3D-Druck.
Tatsächlich sind die meisten (wenn nicht gar alle) 2D-gedruckten Elektronikkomponenten 3D, da mehrere Schichten übereinander angeordnet werden müssen. Gleiches gilt für Transistoren auf Halbleitern. Auch wenn sie als 2D betrachtet werden, so sind Transistoren doch 3D-Strukturen, deren Aufbau additive und subtraktive Prozesse erfordert (z. B. Gate-, Source- und Isolationsschichten).
Bis heute findet gedruckte Elektronik kaum Anwendung in der Praxis. Dies liegt daran, dass sich herkömmliche Elektronik einfacher, billiger und zuverlässiger herstellen lässt. Die Forschung arbeitet jedoch mit Nachdruck an der Herstellung von Komponenten für die praktische Anwendung. Es wurden bereits Widerstände, Kondensatoren, Dioden und Transistoren im 3D-Druckverfahren hergestellt. Die vielen verschiedenen Materialien, die dabei verwendet werden, basieren im Allgemeinen entweder auf Graphen oder einem organischen Polymer. Mit Graphen sind schmale Gates und Kanäle und gleichzeitig Dotierung möglich (entscheidend, um die Leitfähigkeit von Graphen zu verändern). Organische Polymere lassen sich einfach in Lösungsform dosieren (ideal für Tintenstrahldrucker) und bieten Flexibilität.
Beispiele für gedruckte Elektronik
Während im Bereich gedruckte Elektronik viel geforscht wird, kommt es nur selten zu einer kommerziellen Anwendung, da gedruckte Elektronik bei Weitem nicht an Standard-Elektroniksysteme heranreicht. Zudem steckt die gedruckte Elektronik noch in den Kinderschuhen und findet sich daher entweder im Forschungslabor oder bei Prototypen wieder. Es gibt jedoch zwei Technologien, deren praktischer Einsatz sehr wahrscheinlich ist; sie stammen von PragmatIC und der Duke University.
PragmatIC
PragmatIC ist ein in Großbritannien ansässiges Unternehmen, das gedruckte Elektroniklösungen für Einmalanwendungen sowie elektronische Einwegkomponenten wie RFID-Tags herstellt. Zur Fertigung verwendet PragmatIC ein flexibles Substrat, das den fertigen Bauteilen maximale Flexibilität verleiht. Mit seiner Technologie für flexible Elektronikelemente bietet das Unternehmen alle wichtigen Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Transistoren an. Zwar hat PragmatIC noch kein funktionsfähiges Bauteil umfassend vorgestellt, aber bereits eine Platte mit ARM-Kernprozessen hergestellt. Jedes Bauteil soll 21 mW bei einer Energieeffizienz von nur 1 % verbrauchen.
Im Gegensatz zu den Standardverfahren der Halbleiterherstellung werden bei PragmatIC die Komponenten gedruckt. Die sonst in der Halbleiterfertigung üblichen intensiven Verarbeitungsschritte entfallen. Die Elektronik von PragmatIC wird Schicht für Schicht aufgebaut. Darüber hinaus ebnet die Verwendung von organischen Chemikalien und Dünnschichttransistoren den Weg für voll funktionsfähige Bauteile, die mit Geräten wie einem Standard-3D-Drucker hergestellt werden könnten.
Duke University
Die Duke University präsentiert eines der überzeugendsten Beispiele für praktische gedruckte Elektronik mit verbessertem Lebenszyklus. 2021 stellte die Duke University eine neue Methode zur Herstellung gedruckter elektronischer Komponenten wie Widerständen, Kondensatoren und Transistoren mithilfe eines additiven Verfahrens ähnlich dem 3D-Druck vor. Die Komponenten basieren auf Kohlenstoff und werden unter Verwendung eines Aerosol-Sprühsystems (d. h. ähnlich der Tintenstrahltechnologie) hergestellt. Die Trennschichten werden mit Zellulose aufgebaut.
Die Forscher sind nicht nur in der Lage, Komponenten auf flexibles Substrat zu drucken, sondern auch Trennschichten zu erstellen. Das bedeutet, dass weitere Bauteile hinzugefügt werden können, sodass eine echte 3D-Schaltung entsteht. Die entwickelten Transistoren sind zwar extrem groß (Millimeter statt Mikrometer), aber voll funktionsfähig und werden auch durch mechanische Manipulation nicht in ihrer Funktionsfähigkeit beeinträchtigt.
Am bemerkenswertesten an den gedruckten Schaltungen ist, dass sie vollständig recycelbar sind. Durch die Verwendung von organischen Verbindungen und Graphen können alte Schaltungen aufgelöst und die Materialien zum Drucken neuer Bauteile zurückgewonnen werden. In Zukunft könnte gedruckte Elektronik vollständig recycelbar sein und ausgediente elektronische Komponenten müssten nicht mehr auf der Müllhalde entsorgt werden.
Praktische Anwendungen für 3D-gedruckte Elektronik
Die möglichen Anwendungsbereiche von 3D-gedruckter Elektronik hängen von ihren Vorteilen ab:
- Schnelles Prototyping von Schaltungen
- Umfassende Anpassungsmöglichkeiten für das endgültige Design
- Gestapelte Designs (d. h. Erstellen aktiver Teile in allen Dimensionen)
- Keine hochkomplexen Prozesse
- Vollständig recycelbar
3D-gedruckte Elektronik bietet die Möglichkeit, spezielle Designs an abgelegenen Orten zu realisieren. Beispielsweise könnten 3D-Drucker bei zukünftigen Weltraummissionen eingesetzt werden, deren Ziel die Besiedelung von Mond oder Mars ist. Die Siedler könnten unabhängig von der Erde ihre eigenen elektronischen Produkte wie integrierte Schaltungen (ICs) und andere Komponenten drucken.
Durch ihre schnelle Herstellung eignen sich 3D-gedruckte Elektronikkomponenten hervorragend für Notfallreparaturen und als Ersatzteile. Marineschiffe und Militärbasen könnten 3D-Druckersysteme einsetzen, um wichtige defekte Ausrüstung zu reparieren und auszutauschen. Da militärische Umgebungen sowohl gefährlich als auch schwer erreichbar sein können, kann sich der Nachschub an Ersatzteilen schwierig gestalten. 3D-Drucker würden also einen Vorteil gegenüber dem Feind bedeuten.
Aufgrund technischer Fortschritte werden ältere elektronische Komponenten, die immer weniger Verwendung finden, von ihren Herstellern eingestellt. Moderne Designs sind davon nicht betroffen. Für ältere Systeme, die noch benötigt werden (z. B. Kraftwerke und kritische Infrastrukturen), besteht jedoch durchaus diese Gefahr. Hier könnte 3D-gedruckte Elektronik sicherstellen, dass ältere Systeme ihren Betrieb fortsetzen können, bis alternative Lösungen umgesetzt werden.
Ein großer Vorteil gedruckter Elektronik ist die Verwendung normaler 3D-Drucker. Eine Ausführung mit mehreren Düsen könnte strukturellen Kunststoff und Komponenten gleichzeitig drucken. Dadurch wäre die Herstellung eines kompletten Designs in einem einzigen Schritt möglich. Elektronik ließe sich einfach in jedes beliebige Teil einer 3D-gedruckten Struktur integrieren, z. B. Komponenten und Drähte. Dadurch wären Designs möglich, deren Herstellung gegenwärtig noch zu schwierig ist. Es wäre auch denkbar, Komponenten vertikal aufzudrucken, sodass nicht nur zwei Dimensionen auf einer Leiterplatte genutzt werden, sondern alle drei.
Realistische Erwartungen an 3D-gedruckte Elektronik
Auch wenn die Idee 3D-gedruckter Elektronik faszinierend und vielversprechend klingt, sollte man seine Erwartungen nicht zu hoch schrauben. 3D-gedruckte Elektronik stellt uns vor zahlreiche Herausforderungen. Die bei Weitem größte ist ihre extrem geringe Transistordichte. Das bedeutet, dass ihr Datenverarbeitungsvermögen wesentlich geringer ist als bei modernen Prozessoren. Daher kommt sie für den kommerziellen Einsatz nicht infrage.
Es ist daher unwahrscheinlich, dass 3D-gedruckte Elektronik irgendwann Siliziumbauteile ersetzen wird. Aktuelle Elektronikherstellungsverfahren sind äußerst effizient und preisgünstig. Moderne Prozessoren können mehrere hundert Dollar kosten, während die meisten Mikrocontroller für weniger als einen Dollar erhältlich sind. Im Laufe der Zeit fällt der Preis für moderne Prozessoren, sodass sie schließlich billig genug sind, um in alltäglichen Geräten Verwendung zu finden.
Eine weitere Herausforderung bei 3D-gedruckter Elektronik könnte ein allgemeines Problem von 3D-Druckern sein: Die Designs sind strukturell schwach. Es stimmt, dass 3D-gedruckte Teile aus Metall hergestellt werden können und dass gedruckte Teile aus Kunststoff viel stabiler sind, als sie aussehen. Im Grunde handelt es sich hierbei jedoch um Prototypen. Kunststoffspritzguss wird sich immer gegen einen 3D-Drucker durchsetzen, allein schon wegen des Schichtaufbaus, der beim 3D-Drucken erforderlich ist. Wenn beispielsweise die einzelnen Kunststoffschichten sehr stabil sind, angrenzende Schichten jedoch nicht vollständig miteinander verschmolzen werden, entstehen Korngrenzen. Wirkt dann eine Kraft entlang der Schichten eines 3D-gedruckten Designs, kann dies leicht zu Abscherung führen. Diese Effekte können für 3D-gedruckte Elektronik problematisch sein, insbesondere bei Schichtaufbau.
Fazit
Auch wenn 3D-gedruckte Elektronik noch in den Kinderschuhen steckt, so gibt es durchaus schon sehr interessante Entwicklungen. Allerdings ist es unwahrscheinlich, dass diese Technologie die bisherige Elektronik in den nächsten ein oder zwei Jahrzehnten im kommerziellen Bereich ersetzen wird. Vielmehr wird 3D-gedruckte Elektronik in Nischenanwendungen wie gedruckten Antennen in Smartphones oder RFID-Tags auf Produkten ihren Platz finden, da deren Anforderungen weitaus weniger anspruchsvoll sind als bei Prozessoren oder Arbeitsspeicher.
