Direktmetallisierung von Kunststoffoberflächen

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ZIM-Projekt: "Entwicklung von metallisierten 3D-Grundkörpern zur Aufbringung von elektrischen Leiterbahnen auf beliebigen Freiformflächen ohne nasschemische Prozesse zur Herstellung von LED Lampen" (ZF4647001LT8)

Dieses Projekt wird im Rahmen einer Förderung durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) in Kooperation mit der Firma DOTLUX GmbH bearbeitet.

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Ausgangslage und Marktbedarf:

Traditionelle Lampen werden immer mehr durch moderne Lichtquellen auf Halbleiterbasis ersetzt. Sie zeichnen sich durch eine deutlich höhere Energieeffizienz und Leistungsfähigkeit aus. Dabei haben sich die Lichtemittierenden Dioden in den letzten Jahren zu einer breit verfügbaren Alternative für fast alle Beleuchtungslösungen entwickelt. Im Vergleich zur klassischen Glühlampe besitzen die LEDs eine deutlich bessere Öko-Bilanz, schonen die Umwelt und sparen somit Strom und Geld ein.

Die Schaltungsträger vieler LED-Lampen basieren derzeit auf einem 2D Layout, wie zum Beispiel die Retrofit LED Straßenlampe (siehe Abbildung 1) der Firma Dotlux GmbH im bayerischen Weißenburg. Zur Erzeugung von hohen Abstrahlungswinkel müssen mehrere Leiterplatten in aufwendigen Montageschritten auf einem Sockel kreisförmig ausgerichtet werden. Das Schaltungslayout sowie die dazugehörigen Bauelemente (LEDs, Widerstände, Dioden, usw.) werden hierzu jeweils auf separate 2D-Leiterplatten aufgebracht. Zur Ableitung der entstehenden Wärme müssen aktuell die einzelnen Leiterplatten mithilfe von Wärmeleitpaste auf einen zentralen Kühlkörper montiert werden. Der Herstellungsprozess der benötigten 2D Leiterplatten ist aufgrund des Einsatzes von Ätzchemie nicht umweltfreundlich zudem ist der gesamte Montageprozess der Lampen insgesamt zeitaufwendig.

Mit einem innovativen Trockenfertigungsverfahren, der sogenannte Direktmetallisierung, werden mit der Kombination aus Spritzguss, Siebdruck sowie der Laser- und Plasmatechnologie elektronisch leitfähige Bahnen direkt auf thermoplastische Oberflächen aufgebracht. Bei diesem Prozess werden keine gesundheitsschädlichen Produkte wie z.B. Ätzmittel (Eisen-3-Chlorid, Aminiumpersulfat) bzw. Kupfer zur Aufbringung der Leiterbahnen benötigt. Die Bauteile werden zudem meist aus rezyklierbaren Thermoplasten hergestellt und sind somit unkritisch bei der Entsorgung.

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Projektergebnisse:

Die folgenden thermoplastischen Materialien wurden bisher im Spritzgussverfahren verarbeitet und metallisiert:

  • HDPE (Silonverbindungen Taborex - Ta1108)
  • LDPE (DOW640C Natur)
  • PA6 (TechnylC206 Natur)
  • PA6 (Durethan BKV 15H 1.0+ 30. + 20% Al2O3 + 15% Glasflocken)
  • PA66

Die Untersuchung der Polyamide zeigte aufgrund der gut zu beschichteten Oberflächen hinsichtlich der Metallisierung zunächst die besten Ergebnisse. Um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern, wurde Al2O3 ausgewählt, um die Polymermatrix zu verstärken, welche ein Keramikmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit besitzt und verwendet wird, um die niedrige Wärmeleitfähigkeit der Polymermatrix zu verbessern. Aluminiumoxid kann aufgrund seiner elektrischen Isolationseigenschaften auch zur Verbesserung der Wärmeableitung von Haushaltsgeräten und als Flammschutzmittel verwendet werden.

Nach ersten Untersuchungen mit LDPE, PA6 mit Al2O3 und PA6 natur und weiterer detaillierter Recherche fiel die erste Auswahl auf ein Polyamid 6 und Polyamid 66. Als Füllmaterialien werden Al2O3 und Glasfasern verwendet.

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