Beim 3D-MID werden auf spritzgegossene Kunststoffbauteile mittels Laser-Direkt-Strukturierungs-Verfahren Leiterbahnen aufgebracht. Das Verfahren treibt den Miniaturisierungstrend voran.

Ein plastisches Bild der vielfältigen 3D-MID-Anwendungsmöglichkeiten (MID — Molded Interconnect Devices oder Mechatronic Integrated Devices) erhält man aus den Projekten von Multiple Dimensions, einer Schweizer Firma, die zu den weltweit führenden Anbieterinnen in diesem Bereich gehört. Sie vereinfachen die Bedienung von Haushaltsgeräten, verbessern das Fahrerlebnis bei einer Servolenkung oder eröffnen neue Formen der Raumeinsparung, beispielsweise in der Sensorik oder Industrieelektronik.

Laserstrahl aktiviert das Additiv im Kunststoff

Basis jeder 3D-MID-Anwendung ist ein thermoplastischer Kunststoff: «Zunächst spritzgiessen wir das zur Anwendung des Kunden passende Bauteil. Dabei verwenden wir verschiedenste Thermoplaste, die ein laseraktivierbares Additiv beinhalten», erklärt Johannes Schmid, Geschäftsführer von Multiple Dimensions, das technologische Funktionsprinzip. Ein Laserstrahl spaltet anschliessend die Oberfläche des Kunststoffes und aktiviert das Additiv.

Das anschliessende Kupferbad lässt die Leiterbahnschicht direkt auf dem jeweiligen Thermoplast entstehen. Je nach Einsatzgebiet müssen diese äusserst robust oder temperaturresistent sein: «Manche sind sogar säure- und schweissresistent, beispielsweise bei Anwendungen für Hörgeräte oder Kopfhörer», fährt er fort. Zuletzt erfolgt das Aufbringen von Nickel als Sperrschicht und die Veredelung durch eine dünne Goldschicht, um für gute Löteigenschaften zu sorgen.

«Zunächst spritzgiessen wir das zur Anwendung des Kunden passende Bauteil. Dabei verwenden wir verschiedenste Thermoplaste, die ein laseraktivierbares Additiv beinhalten.»

Leiterbahnen mit einer Breite von 80 µm

Was das Unternehmen vom Wettbewerb unterscheidet sind die fast schon mikro­skopisch kleinen Dimensionen der Leiterbahnenproduktion: «Wir verfügen über eine weltweit konkurrenzfähige Produktionskompetenz, erkennbar insbesondere an unserer einzigartig geringen Leiterbahnbreite und am kleinen Abstand der Bahnen zueinander», erklärt Schmid. Die meisten Anbieter liegen beim Abstand der Leiterbahnen aktuell noch bei Werten von 300 — 400 µm. «Bei Multiple Dimensions dagegen liegt die technologische Grenze bei Leiterbahnen mit einer Breite von 80 µm», so Schmid. «Diese feinen Struk­turen werden aktuell sehr oft bei Point-of-Sale (POS) Terminals zum Schutz eines Hacker-Angriffs verwendet. Die feinen Leiterbahnen ermöglichen das Erkennen von Angriffen auf die Daten der Bezahlkarten.»

Simpler in der Konstruktion, kostengünstiger in der Produktion

Es ist diese Breite der Leiterbahnen und ihr Abstand zueinander, die in der neuen 3D-MID-Technologie die Spreu vom Weizen trennt. Sie ist ausschlaggebend für den Grad der Miniaturisierung und entscheidend für die Menge an Funktionen, die in einem Bauteil verdichtet werden können.
Anwendungsbeispiele für den konkreten Einsatz der Technologie gibt es bereits viele: «Wir produzieren für die unterschiedlichsten Branchen. Sie kennen doch sicher den Drehschalter einer Waschmaschine, mit dem ich ein Programm auswähle. Dieser Schalter besteht in der Regel aus einer ganzen Reihe mechanischer Kleinteile — mit unserer 3D-MID Technologie werden sie alle eingespart.» Die Wahl des Waschgangs erfolgt über einen kapazitiven Schalter, d. h. gewissermassen berührungslos. Das hat weitreichende Folgen: Anders als bei mechanischen Lösungen entsteht keinerlei Abrieb, der die Teile verschleisst. «Unser Bedienelement ist um ein Vielfaches simpler in der Konstruktion, kostengünstiger in der Produktion und weist dazu eine höhere Lebensdauer auf», so Schmid.

Eliminierte Toleranzkette

Für den Automobilbereich produzieren die Schweizer Sensoren, die das Drehmoment und die Lage des Lenkrads messen. «In Abhängigkeit von Position und Messwert wird die Servolenkung mehr oder weniger stark unterstützt. Je präziser die Messung ist, desto unmittelbarer wird das Fahrgefühl übertragen.» Ähnlich wie im Beispiel der Waschmaschine kommen bei herkömmlichen Lösungen zahlreiche mechanische Teile zum Einsatz. Im Zusammenspiel von diesen summieren sich allerdings Abweichungen und Toleranzen, die im Ergebnis das Fahrerlebnis beeinträchtigen. «Diese komplette Toleranzkette können wir mit 3D-MID eliminieren», erklärt Schmid. Die Technologie spart nicht nur Bauteile und Kosten ein, sondern macht die Anwendung auch präziser und effektiver. Nicht zuletzt steigert sie die Fahrfreude des Anwenders.

Höchste Funktionsvielfalt auf kleinstem Raum

Herausragende Funktionsintegration auf kleinstem Raum beweist Multiple Dimensions derzeit für einen Spielzeughersteller. Für ein besseres Spielerlebnis wurde in einem Kunststoffbauteil auf kleinstem Raum ein elektronischer Schaltkreis integriert — samt Batterie, kapazitivem Schalter und LED-Licht. «Für eine Leiterplatte wäre einfach nicht genügend Platz vorhanden gewesen. Auch hier ist das Bedienelement, also der kapazitive Schalter, absolut verschleissfrei, da kein mechanischer Kontakt besteht.»

In Zukunft wird die neue 3D-MID-Technologie auch bei menschenähnlichen Robotern eingesetzt. Die Bieler Experten statten zurzeit die Fingerkuppen einer Roboterhand — ihre Grösse entspricht der eines Menschen — mit Leiterbahnen aus. Das Tastorgan des Roboters wird flächendeckend mit Sensoren bestückt, deren Drucksignale zentral auf einen Stecker geführt werden. «Dank unserem 3D-Verfahren können wir die benötigte Elektronik präzise anbringen — trotz der komplex zu bearbeitenden Rundung», erläutert Schmid die Vorteile der drei­dimensionalen Bearbeitung.

Trend der Miniaturisierung auch im Alltag immer relevanter

Kunden von Multiple Dimensions profitieren auf vielen Ebenen vom Potenzial der neuen Technologie — auch auf finanzieller. «Unsere State-of-the-Art-Methodik bieten wir nicht nur mit einer weltweit einzigartigen Expertise an, wir liefern sie zusätzlich auch noch kostengünstiger als viele andere auf dem Markt.» Alle Produktionsschritte finden voll­ständig automatisiert inhouse bei Multiple Dimensions statt.

«Wir bilden die komplette Prozesskette ab — vom Spritzgussverfahren über den Laservorgang und das Galvanisieren bis hin zum Bestücken der Elektronikkomponenten. Das spart Transportkosten und besonders Zeit; Ersparnisse, die wir gerne an unsere Kunden weitergeben»

Der Geschäftsführer von Multiple Dimensions ist sicher, dass hinsichtlich des Entwicklungspotenzials der 3D-MID-Technologie das Ende der Fahnenstange noch längst nicht in Sicht ist: «Das Voranschreiten der Miniaturisierung in allen Bereichen unserer Industriegesellschaft zusammen mit dem Trend zu intelligenten Steckverbindern für die Industrie 4.0 sorgt dafür, dass die 3D-MID-Technologie noch umfassender Verwendung finden wird.»