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.
3Prof. Jörg Franke | Konzepte, Konstruktionen und Kleinserien am MID-Applikationszentrum MIDAZ
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.
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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.
5Prof. Jörg Franke | Konzepte, Konstruktionen und Kleinserien am MID-Applikationszentrum MIDAZ
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.
6Prof. Jörg Franke | Konzepte, Konstruktionen und Kleinserien am MID-Applikationszentrum MIDAZ
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.
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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.
8Prof. Jörg Franke | Konzepte, Konstruktionen und Kleinserien am MID-Applikationszentrum MIDAZ
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.
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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.
10Prof. Jörg Franke | Konzepte, Konstruktionen und Kleinserien am MID-Applikationszentrum MIDAZ
(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.
11Prof. Jörg Franke | Konzepte, Konstruktionen und Kleinserien am MID-Applikationszentrum MIDAZ
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.
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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.
13Prof. Jörg Franke | Konzepte, Konstruktionen und Kleinserien am MID-Applikationszentrum MIDAZ
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
Technology: Laserdirectstructuring
Quantity: 10.000 p.a.
Sector: Medical, industrial, defence
Technology: Laserdirectstructuring
Quantity: 20.000 p.a.
Der neue MIDster verbindet Designelemente und Funktionalität als intelligente dreidimensionale Baugruppe.
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Gestaltungsfreiheit- Hinterschneidungen- Winkel und Kanten- Beliebige Freiformflächen
Verbindung von Design und verschiedenen Funktionen
Nutzung der kompletten Oberfläche- Elektrische Schaltung- Antennen- Logos
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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
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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.
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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.
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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
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Zur Herstellung funktionaler Prototypen stehen am MIDAZ verschiedene Technologien zur Verfügung.
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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
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Der flexible Einstieg in die Strukturierung von 3-D-MID wird durch LPKF-LDS® und ProtoPaint ermöglicht.
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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
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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.
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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
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Eine innovative Beschichtung von Kunststoffen bietet kaltaktives Atmosphärenplasma plasmadust®.
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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
Quelle: Reinhausen Plasma
Quelle: Reinhausen Plasma
Quelle: Reinhausen Plasma
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Die Kleinserienfertigung wird von qualifizierten Kooperationspartnern unterstützt.
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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.
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Zuverlässigkeitsuntersuchungen und Produktqualifizierungen werdenentsprechend den Anforderungen des Produkteinsatzes durchgeführt.
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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.
25Prof. Jörg Franke | Konzepte, Konstruktionen und Kleinserien am MID-Applikationszentrum MIDAZ
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
Prof. Dr.-Ing. Jörg FrankeLehrstuhl für Fertigungsautomatisierungund Produktionssystematik
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-NürnbergDANKE
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