„On-Demand“-Digitaldruck mit Aerosol-Jet-Druckkopf

Das Drucken von funktionalen Strukturen, wie Leiterbahnen oder Kondensatoren, stellt neue, höhere Anforderungen an den Druckprozess als der Druck klassischer Printmedien. So ist bspw. die geforderte Qualität der Strukturen in Bezug auf physikalische und chemische Eigenschaften signifikant höher.

Stand der Technik

Marktüblich für den funktionalen Digitaldruck ist das Piezo-Inkjet-Verfahren: Tintentropfen werden durch Piezoanregung unmittelbar aus einer Druckdüse auf ein ebenes Substrat aufgetragen. Alternativ wird das Aerosol-Jet-Verfahren eingesetzt, um in weiteren Viskositätsbereichen und bei Topologiesprüngen der Substratoberfläche zu drucken. Die Aerosolerzeugung aus einem Fluid erfolgt hier in einem separaten System mit relativ hoher Mindestfüllmenge. Über ein Leitungssystem wird das Aerosol einem Druckkopf zugeführt, wodurch ein Fluidwechsel eine aufwendige Reinigung und Entsorgung kontaminierter Fluidreste erfordert.

Technologie

Einen flexibleren Jet-Druckkopf für Aerosole haben Wissenschaftler des Instituts für Automation und angewandte Informatik (IAI) am KIT entwickelt. Der Druckkopf besteht aus einem Grundkörper mit Düse, in dem eine einfach wechselbare Einheit aus Fluidführung, Piezoaktor und elastischem Element eingebracht ist. Zur Aerosolerzeugung wird ein Fluid in die Fluidführung geleitet, durch den Aktor in Schwingung versetzt und direkt an der Düsenöffnung zerstäubt. Das Aerosol wird dort durch ein umgebendes Mantelgas derart aerodynamisch fokussiert, dass nach dem Düsenaustritt ein konvergierender, beschleunigter Aerosolstrom vorliegt. Während des Druckens ist der Aerosolstrahl mittels Piezosteuerung nach Bedarf schnell ein- und ausschaltbar, ohne dass eine zusätzliche Tintenauffangeinrichtung (engl. Shutter) nötig ist.

Vorteile

Beim neuen Druckkopf sind die fluidführenden Bauteile als kostengünstige Einweg-Komponenten ausgelegt, sodass der Reinigungsaufwand minimiert ist. Da die Aerosolerzeugung unmittelbar in der Düse erfolgt, werden nur geringe Mengen des zu druckenden Fluids benötigt. Eine weitere Besonderheit ist, dass der Druckkopf im Raum frei orientierbar ist und dadurch beliebig zum zu bedruckenden Objekt ausgerichtet werden kann.

Optionen für Unternehmen

Neben gedruckter Elektronik könnte der Druckkopf einen Mehrwert im biologischen Bereich bieten. Selbst mit Kleinstmengen an flüssigen Proben sind homogene Strukturen für biologische Versuchsreihen druckbar, bei gleichzeitig reduziertem Materialverlust. Das KIT sucht Partner zur technischen Umsetzung des Druckkopfs.