Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »HEA2D«
Ziel des Projekts »HEA2D« war die Entwicklung einer durchgängigen Produktionskette, bei der CVD-Wachstum unter Atmosphärenbedingungen und der spätere Transfer der funktionalen 2D-Materialien auf Polymerfolien entwickelt wird. Des Weiteren wurden deren massentaugliche Integration in Kunststoffkomponenten erforscht und die Wertschöpfungskette wurde durch ausgewählte Pilot-Bauelemente vervollständigt.
Motivation
2D-Materialien, eingebunden in massentaugliche Fertigungsverfahren haben das Potenzial, integrierte und systemische Produkt- und Produktionslösungen zu schaffen, die sozial, ökonomisch und ökologisch nachhaltig sind. So lassen sich Klimawandel, eine umweltverträgliche und bezahlbare Energieversorgung und Mobilität sowie eine wachsende Ressourcenverknappung mit Hilfe von 2D-Materialien adressieren, und neue Lösungen erarbeiten. Während mit wachsender Dynamik für immer mehr Anwendungen im Labormaßstab das Potenzial dieser neuen Materialklasse nachgewiesen wird, scheitert eine Umsetzung in Produkte an der fragmentierten Fertigungskette der mittels 2D-Materialien funktionalisierten Produkte – die Materialinnovation der 2D-Materialien führt bislang aus diesem Grund noch zu keinen wichtigen Produktinnovationen.
Rolle-zu-Rolle Anlagekonzept
Der Transfer der 2D-Materialien auf Kunststoffbauteile ist beispielsweise für Endanwendungen in der Automobilindustrie, etwa für Schalter mit transparenten Leiterbahnen, Symbolbeleuchtungen, Tageslichtsensor integriert in den Halter eines Rückspiegels, von hoher Bedeutung. Für Produkte, die im Spritzgussprozess hergestellt werden, sind jedoch bislang noch keine Verfahren erprobt worden, die einen großserientauglichen Transfer von 2D-Materialien auf Kunststoffkomponenten ermöglichen. Eine durchgängige Betrachtung der Produktionskette – begonnen bei der Abscheidung von 2D-Materialien auf Metallsubstraten, dem Transfer auf Kunststofffolien oder -formteilen und der Übertragung auf Spritzgusskomponenten bis hin zum Nachweis funktionaler Pilot-Bauelemente – wurde bisher nicht vorgenommen. Erst diese vollständige Betrachtung und Optimierung aller Prozessschritte im Sinne der Anwendung für Spritgussteile ermöglichte die serientaugliche Nutzung von 2D-Materialien in praktischen Anwendungen.
Aufgaben und Vorgehensweise
Um die 2D-Materialien für die Weiterverarbeitung im Spritzgussverfahren nutzbar zu machen, erforschte das Fraunhofer IPT ihre Übertragung auf Kunststofffolien. Für die ressourcen- und kosteneffiziente Übertragung der 2D-Materialien auf eine Polymerfolie wurde ein neues Rolle-zu-Rolle-Anlagenkonzept entwickelt. Dazu wurden verschiedene Prinziplösungen wie der Schlitzdüsenauftrag flüssiger Polymere und die In-situ-Vernetzung sowie das Laminieren von Transferfolien untersucht. Beide Methoden prüfte das Fraunhofer IPT in gemeinsamen Experimenten mit der Coatema Coating Machinery GmbH. Hierzu stellte Universität Duisburg-Essen Graphen-Proben zur Verfügung. Die Qualität des Transferprozesses und des Graphens werden anschließend von der Universität Duisburg-Essen und der Universität Siegen vollständig charakterisiert. Basierend auf den Ergebnissen der Experimente erarbeiteten das Fraunhofer IPT und doe Coatema Coating Machinery GmbH ein erstes Anlagenkonzept zum effizienten Transfer von Graphen auf Polymer-Substrate.
Das übergeordnete Ziel erfordert eine Vielzahl an innovativen Entwicklungsschritten in der Prozesskette:
- Kontrollierte Abscheidung von Monolagen – und Mehrlagen 2D-Materialien auf großflächigen Substraten
- Übertragung der Prozesse zur kontinuierlichen Abscheidung von 2D-Materialien (zunächst Graphen) über Rolle-zu-Rolle-CVD-Verfahren
- Erforschung von Transferverfahren zur Übertragung der 2D-Materialien auf Polymerfolien
- Hinterspritzen der beschichteten Substrate für die Übertragung der 2D-Materialien auf ein Kunststoffformteil
- Verformung des graphenbeschichteten Kupfer- und Kunststoffsubstrates vor dem Hinterspritzen
- Hinterspritzen der beschichteten Polymerfolien
- Erforschung des Potentials funktionaler, flexibler und transparenter 2D-Materilaien auf Kunststoffen als elektronisches und optoelektronisches Bauteil
Geplante Innovationen im Projekt HEA2D
Neuland wurde vor allem bei der MO-CVD-Herstellung von (Mo,W)(Se,S)-2D-Nanoschichten betreten. Ebenso herausfordernd waren außerdem die Integration von Abscheidung und Transfer in einer Anlage, die Erforschung des Wachstums von Mehrlagen-Graphen und – im späteren Projektverlauf – die Erarbeitung von Machbarkeitsstudien zur Integration von (Mo,W)(Se,S) in Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Für den defektarmen Transfer von Mono- und Multilagen-Graphen und von (Mo,W)(S,Se) existiert laut der bestehenden Fachliteratur noch kein etabliertes Verfahren. Auch das Handling der Folien im Spritzgießwerkzeug, die Parameter bei der Hinterspritzung für eine schonende Folienverarbeitung und die Realisierung von 3D-Formteilen bieten noch große Herausforderungen und wurden in dieser Weise bislang noch nicht industriell umgesetzt.
Partner
- Aixtron SE
- Fraunhofer IPT
- Universität Siegen
- Universität Duisburg-Essen
- Coatema Coating Machinery GmbH
- Kunststoff-Institut für mittelständische Wirtschaft NRW GmbH (K.I.M.W)
Projektträger
- Projektträger Jülich│ Forschungszentrum Jülich GmbH