HARTING bietet mit dem „M12 Magnetics“ eine M12-Buchse, die Übertrager und alle anderen notwendigen Komponenten, die sonst Platz auf der Leiterkarte kosten, enthält. © 2017 HARTING AG & Co KG
3D-MID revolutioniert die Komponententechnik
Immer mehr Branchen entdecken in der Produktion von Industrieanwendungen eine neue Technologie als Alternative zur klassischen Leiterplatte. Die Revolution nennt sich 3D-MID (Molded Interconnect Devices oder Mechatronic Integrated Devices) – spritzgegossene Kunststoffbauteile, auf die mittels Laserdirektstrukturierungsverfahren Leiterbahnen aufgebracht werden. Das Verfahren treibt den Miniaturisierungstrend in der elektronischen Industrie voran und gibt Produktentwicklern neue Gestaltungsmöglichkeiten.
Ein plastisches Bild von den vielfältigen 3D-MID-Anwendungsmöglichkeiten zeigen beispielsweise die Projekte von Multiple Dimensions. Die Lösungen des Unternehmens vereinfachen die Bedienung von Haushaltsgeräten, verbessern das Fahrerlebnis bei einer Servolenkung oder eröffnen neue Formen der Raumeinsparung, beispielsweise in der Sensorik oder Industrieelektronik.
Basis jeder 3D-MID-Anwendung ist, erklärt Johannes Schmid, CEO von Multiple Dimensions, ein thermoplastischer Kunststoff. „Zunächst spritzgießen wir das zur Anwendung des Kunden passende Bauteil. Dabei verwenden wir verschiedenste Thermoplaste, die ein laseraktivierbares Additiv beinhalten.“ Ein Laserstrahl spaltet anschließend die Oberfläche des Kunststoffs 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“, sagt Schmid. Zuletzt erfolgt das Aufbringen von Nickel als Sperrschicht und die Veredelung durch eine dünne Goldschicht, um für gute Löteigenschaften zu sorgen.
Was das Unternehmen vom Wettbewerb unterscheide, seien 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.“ Die meisten Anbieter würden beim Abstand der Leiterbahnen aktuell noch bei Werten von 300 bis 400 Mikrometern (µm) liegen. „Bei Multiple Dimensions dagegen liegt die technologische Grenze bei Leiterbahnen mit einer Breite von 80 µm“, erläutert Schmid. „Diese feinen Strukturen werden aktuell sehr oft bei Point-of-Sale-Terminals zum Schutz vor einem Hackerangriff verwendet. Die feinen Leiterbahnen ermöglichen das Erkennen von Angriffen auf die Daten der Bezahlkarten.“
Vom Drehschalter zum Spielzeug
Es sind diese Breite der Leiterbahnen und ihr Abstand zueinander, die in der neuen 3D-MID-Technologie die Spreu vom Weizen trennen. „Sie sind 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 Reihe mechanischer Kleinteile – mit unserer 3D-MID-Technologie werden sie alle eingespart.“ Die Wahl des Waschgangs erfolgt über einen kapazitiven Schalter, also 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 noch dazu eine höhere Lebensdauer auf.“
Für den Automobilbereich produziert das Unternehmen 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.
Besseres Nutzungserlebnis
Herausragende Funktionsintegration auf kleinstem Raum beweise 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 Experten des Unternehmens statten zurzeit zu Beispiel die Fingerkuppen einer Roboterhand mit Leiterbahnen aus. Das Tastorgan des Roboters wird flächendeckend mit Sensoren bestückt, und deren Drucksignale werden zentral auf einen Stecker zusammengeführt. „Dank unseres 3D-Verfahrens können wir die hier benötigte Elektronik präzise anbringen – trotz der komplex zu bearbeitenden Rundung“, stellt Johannes Schmid die Vorteile der dreidimensionalen Bearbeitung dar.
Kunden von Multiple Dimensions können auf vielen Ebenen vom Potenzial der neuen Technologie profitieren. „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 gern an unsere Kunden weitergeben“, sagt Schmid.
Ende der Fahnenstange noch nicht erreicht
Der Geschäftsführer von Multiple Dimensions ist sich 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.“
Rauchmelder v sich ebenfalls ideal für eine technologische Erneuerung mittels 3D-MID. Das Gehäuse besteht aus Kunststoff – die Leiterbahnen könnten direkt aufgebracht werden und so Leiterplatte samt Kabel und Anschlussstecker ersetzen. Sogar die Batteriehalterung ist im Formteil integriert. In der Produktion entfallen zudem aufwendige Lötprozesse, und durch die geringe Anzahl an Bauteilen wird die Montage insgesamt vereinfacht. Weiterer Pluspunkt ist die einfache Integration zusätzlicher Funktionalitäten.
Platz auf der Leiterkarte sparen
Auch in anderen Bereichen wird an neuen Wegen geforscht. So sind für Ethernet notwendige Übertrager in RJ45-Buchsen schon lange bekannt – eine IP65/67-geschützte Einheit aus Buchse und Übertrager sind die Steckverbinderhersteller dem Markt bisher schuldig geblieben. HARTING bietet nun mit dem „M12 Magnetics“ genau dies an. Die M12-Buchse enthält Übertrager und alle anderen notwendigen Komponenten, die sonst Platz auf der Leiterkarte kosten, und bleibt dabei bei der bisherigen Größe der reinen Buchsen.
Eine geräteseitige M12-Buchse beinhaltet bei gleicher Baugröße schon die für Ethernet benötigte Übertragereinheit. Mussten Übertrager und diverse andere elektronische Bauteile bisher neben der Buchse auf der Leiterplatte untergebracht werden, sind diese nun platzsparend integriert und vereinfachen dadurch das Leiterplatten-Layout weiter. Leiterbahnen können somit wesentlich leichter und direkter geplant werden, da sie nicht um viele Bauteile herum geplant werden müssen.
Ein weiterer Vorteil für Kunden ist eine deutlich größere Zuverlässigkeit. Bislang wurden Buchsen und Übertrager verschiedener Hersteller kombiniert, und es kam nicht selten zu Problemen. Die HARTING-Lösung hingegen ist eine aufeinander abgestimmte Einheit für mehr Prozesssicherheit. (TM)
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