Ziel der Entwicklung
Ziel des Forschungsprojektes ist die theoretische sowie experimentelle Entwicklung, Verifikation und Validierung technischer Lösungen zur Inline-Prozessierung metallischer Strukturen für Leiterbahnen, Basisstrukturen für Lötprozesse oder ähnliche Anwendungen auf Glas-Substraten, wie z. B. Folien für einen Roll-Roll-Prozess.
Das im Projekt genutzte Wirkprinzip zum Metallisieren basiert im Wesentlichen auf dem Zusammenwirken von Niedrigenergie-Plasma, der definierten Zuführung kleinster Metallpartikel in den Wärmebereich der Plasmaquelle und einem definierten Gestalten der Auftreffverhältnisse der geschmolzenen Metallpartikel auf das zu beschichtende Bauteil.
Letzteres wird maßgeblich durch die Verfahrgeschwindigkeiten der x- und y-Achsen bestimmt. Die z-Achse reguliert den Fokusabstand der Plasmaquelle und hat damit wesentlichen Einfluss auf die einzubringende Wärmeenergie.
Plasmadüse, Pulverförderer und Antriebsachsen sind separat steuerbar und schaffen damit grundlegende Voraussetzungen für ein partielles oder ganzflächiges Beschichten, um die technologischen Herausforderungen zum Herstellen von Metallstrukturen auf Glassubstraten zu meistern.
Die Wirkprinzipien der genannten Hauptbaugruppen Plasmadüse, Pulverförderer und Antriebsachsen und deren Zusammenwirken sollen systematisch untersucht und mit einem Demonstrator experimentell am Beispiel der Beschichtung von Glassubstraten nachgewiesen werden.
In diesem Zusammenhang waren folgende Schwerpunkte zu untersuchen:
- Designentwicklung der zu beschichtenden metallischen Strukturen,
- Vorbehandlung der Glassubstrate zum Erzielen der erforderlichen Haftfestigkeit,
- Berücksichtigung besonderer Anforderungen durch kompakte und biegsame Glassubstrate,
- Entwicklung eines Pulverförderers zur Berücksichtigung unterschiedlicher Molekulargewichte und des Agglomerationsverhaltens der Metallpartikel,
- technologische Erfordernisse für das Metallisieren mit Niedrigenergie-Plasma:
- erforderliche Plasmaparameter (Leistung, Energiebedarf, Fördergas),
- Untersuchungen zu möglichen Fokusdurchmessern in Abhängigkeit der Bearbeitungsaufgabe,
- Vorauswahl des Fokusabstandes von der Bauteiloberfläche in Abhängigkeit der Pulverpartikelgröße,
- Parameterbestimmung zum Erzielen der geforderten Schichtdicke in Abhängigkeit der Funktionsanforderungen,
- Gewährleistung homogener Bahnstruktur,
- Nachbehandlung der metallisierten Glassubstrate durch Tempern.
Vorteile und Lösungen
Mit der Beschichtungstechnik können sowohl Bahnstrukturen als auch flächendeckende Beschichtungen erzeugt werden. Die Plasmabeschichtung mit Niedrigenergieplasma bietet eine technische Alternative bezüglich der wirtschaftlichen flexiblen Fertigung auch kleiner Losgrößen, insbesondere dort, wo mit konventionellen Verfahren wirtschaftliche Grenzen gesetzt sind.
Das Gleiche gilt für zu beschichtende Werkstoffe, die ein schlechtes Benetzungsverhalten oder eine hohe Temperaturempfindlichkeit aufweisen, wie z. B. Glas, Keramik, Porzellan, Kunststoffe oder Verbundwerkstoffe.
Die entwickelte Pulverfördertechnik gewährleistet neben der Regulierung des Strömungsverhaltens durch Unterstützung mit Ultraschall und Siebtechnik den dauerhaften Einsatz sehr kleiner Metallpartikel. Eine Modellbildung unter Verwendung des Systems COMSOL bildet dafür einen wesentlichen Ausgangspunkt.
Untersuchungen der Pulverfördergeschwindigkeiten, des Pulvereintrittsbereiches in den Plasmastrahlgang und der Achsgeschwindigkeiten der Bauteilaufnahmen dienen der Findung geeigneter Parameter für eine partielle Beschichtung von Glassubstraten.
Zielgruppe und Zielmarkt
Auf Grundlage der Projektergebnisse sowie absehbarer Entwicklungen ergeben sich erhebliche Potenziale auf folgenden Zielmärkten:
- Mikroelektronik,
- Sensortechnik,
- Medizintechnik.
