Wenn die Leiterbahn ein unerwartetes Versagen hervorruft
Warum Funktionsintegration in der Additiven Fertigung auf mehr als die Funktion geprüft werden sollte
Additive Fertigung ermöglicht neben komplexen Geometrien auch weiter Funktionen direkt in Bauteile zu integrieren. Leitfähige Bahnen auf Kunststoffoberflächen öffnen Türen für smarte Kompoenten: von beheizbaren Strukturen über Sensoren bis hin zu eingebeteter Elektronik. Doch was passiert, wenn das Bauteil unter Last steht? Versagt die Leiterbahn oder ist der Kunststoff das schwache Glied?
In unserer Studie, veröffentlicht in Advanced Engineering Materials, haben wir das mal genauer untersucht: Wie halten Kupferbahnen auf 3D-gedruckten polymeren Oberflächen und was bricht zuerst bei zyklischer Beastung? Die Ergebnisse zeigen, die Schwachstelle ist die Kombination
Warum Kupfer auf Kunststoff? Die Chance für „smart“ gedruckte Bauteile
Die Idee ist bestechend: Statt Kabel nachträglich zu montieren, werden leitfähige Bahnen direkt auf das Bauteil aufgebracht – etwa durch Atmosphärendruck-Plasmaspritzen (APPS). Das Verfahren ist schonend genug für einige Polymere und ermöglicht elektrische Leitfähigkeit. Wie kann es eingesetzt werden? Mögliche Einsatzbereiche sind beheizbare Bauteile (z. B. für medizinische Geräte oder Luftfahrt), integrierte Sensoren zur Dehnungsmessung oder Temperaturüberwachung, sowie RFID-Antennen oder Leiterbahnen für Elektronik ohne zusätzliche Montageschritte.
Doch während viele Studien die Herstellung solcher Bahnen untersuchen, fehlt oft der Blick auf das Langzeitverhalten unter Belastung. Genau das haben wir ändern wollen.
Das Experiment: Kupfer vs. PEI – was bricht zuerst?
Wir haben ULTEM 9085 (ein hochtemperaturbeständiges PEI-Copolymer) im Material-Extrusionsverfahren (FFF) gedruckt und mit Kupferbahnen beschichtet. Die Bahnen wurden in zwei Dicken (30 µm und 80 µm) und zwei Orientierungen (parallel oder senkrecht zu den gedruckten Kunststoff-Schichten) aufgebracht.
Dann kam der Belastungstest:
Zyklische Biegebeanspruchung (simuliert reale Einsatzbedingungen, z. B. Vibrationen oder thermische Ausdehnung).
Gleichzeitige Messung des elektrischen Widerstands, um den Moment zu erfassen, in dem die Leiterbahn versagt.
Vergleich mit unbeschichteten Proben, um den Einfluss der Kupferbahn zu isolieren.
Die Ergebnisse zeigen, die Leiterbahn funktioniert, aber nicht für immer
Die Leiterbahn hält – aber der Kunststoff gibt mit der Zeit nach. Die Kupferbahn selbst delaminiert nicht einfach von der Oberfläche. Stattdessen entstehen Mikrorisse im Polymer während der zyklischen Belastung. Warum?
Die steife Kupferbahn blockiert die Verformung des weicheren Kunststoffs darunter.
Dadurch entstehen lokal extrem hohe Spannungen – fast das 20-Fache im Vergleich zu unbeschichteten Kunststoffoberflächen.
Folglich reißt der Kunststoff zuerst und aufgrund der guten Haftung reißt die Leiterbahn gleich mit.
Die Orientierung entscheidet über die Versagensart
Parallel zu den Kunststoff-Schichten: Die Risse verbreiten sich langsamer. Die Bahn „überbrückt“ die Schwachstellen im Polymer.
Senkrecht zu den Schichten: Die Kerben zwischen den gedruckten Strängen wirken wie Sollbruchstellen und initiieren Risse – das Bauteil versagt schneller.
Die Lehre für die Praxis: Funktionsintegration ist ein System, nicht nur ein Add-on.
Eine leitfähige Bahn auf einem Bauteil ist kein „Add-on“, sondern ein Verbundwerkstoff mit eigenen Regeln.
- Der Kunststoff ist oft der limitierende Faktor, nicht die Metallisierung.
- Designregeln müssen angepasst werden:
- Vermeiden Sie senkrechte Bahnen zu den Druckschichten (Kerben wirken als Rissinitiatoren und reduzieren die elektrische Leitfähigkeit).
- Lokale Verstärkungen (z. B. durch Fasern) können die Spannungskonzentrationen reduzieren.
- Thermischen Eintrag nicht unterschätzen: Beim Plasmaspritzen entstehen kurzzeitig Temperaturen über 200°C – das verändert die Polymeroberfläche und kann die Oberfläche schädigen.
Wie man es richtig macht: Drei Tipps für leitfähige Bauteile
- Materialpaarung prüfen: Nicht jedes Polymer eignet sich für Metallisierungen. PEI und PEEK halten hohen Temperaturen stand, PA oder ABS können schmelzen oder sich verziehen. Testen Sie die Haftung unter realen Belastungsfällen – nicht nur die Herstellung!
- Geometrie anpassen
- Runden Sie Kanten ab, um Spannungsspitzen zu vermeiden.
- Vermeiden Sie scharfe Übergänge zwischen beschichteten und unbeschichteten Bereichen.
- Nutzen Sie die Druckorientierung – parallel zu den Schichten ist oft stabiler.
- Hybride Lösungen denken: Kombinieren Sie additive Fertigung mit nachträglicher Verstärkung (z. B. durch Kleben oder Laminieren). Beispiel: Eine dünne Kupferbahn für Sensoren, geschützt durch eine zusätzliche Polymer-Schicht.
Fazit: Funktionsintegration ist kein Hexenwerk, aber sie braucht Systemverständnis
Leitfähige Bahnen auf 3D-gedruckten Bauteilen sind machbar, aber ihr Erfolg hängt davon ab, wie gut man das Zusammenspiel von Metall und Kunststoff versteht.
- Die Leiterbahn versagt selten „einfach so“. Meist ist es der Kunststoff darunter, der unter den kombinierten mechanischen und thermischen Belastungen nachgibt.
- Zyklische Lasten sind der Feind – selbst wenn der Verbund so perfekt haftet.
- Mit dem richtigen Design (Orientierung, Dicke, Materialwahl) lassen sich aber langlebige, funktionale Bauteile realisieren.
Was bedeutet das für Sie?
Arbeiten Sie mit leitfähigen Beschichtungen? Wie lösen Sie die Herausforderung der Haftung unter Last? Sehen Sie Potenzial für smarte Bauteile in Ihrer Branche – etwa in der Elektronik, Luftfahrt oder Medizintechnik? Oder haben Sie bereits Erfahrungen mit Versagensfällen gemacht, die „unerwartet“ vom Kunststoff ausgingen?
Wir freuen uns auf Ihre Perspektiven und ihre Erfahrungen!
Hier gehts zur Studie selber: Research Gate
