Design for Disassembly of Additively Manufactured Photopolymers

Aufgrund der raschen Entstehung an Elektronikabfällen sind Wissenschaft und Industrie gleichermaßen gefordert, neue Methoden, Materialien und Prozesse zu entwickeln, um höhere Recyclingquoten zu erzielen und die Umsetzung einer Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen. Insbesondere die fortschreitende Miniaturisierung elektronischer Geräte stellt hierbei eine erhebliche Herausforderung dar, da sie die Demontage und das Recycling der Komponenten deutlich erschwert. Ein Ansatz zur Bewältigung dieser Problematik besteht darin, das Design sowie den Herstellungsprozess elektronischer Bauteile gezielt in die Betrachtung einzubeziehen. Die additive Fertigung, auch als 3D-Druck bezeichnet, ist ein etabliertes Produktionsverfahren, das gegenüber konventionellen Fertigungsmethoden, wie der subtraktiven, umformenden oder fügenden Fertigung, mehrere Vorteile bietet. Dazu zählen insbesondere die hohe Designfreiheit, die große Bandbreite verarbeitbarer Materialien sowie die Möglichkeit zur Herstellung von Mikro- (und sogar Nano-)Strukturen. Diese Eigenschaften können genutzt werden, um demontierbare oder leicht trennbare Funktionen bereits während der Herstellung direkt in elektronische Komponenten zu integrieren. Auf dieser Grundlage wird das Konzept von Design for Disassembly (DfD) vorgestellt, mit dem Ziel, leicht trennbare Multimaterial-Bauteile mittels additiver Fertigung herzustellen und diese anschließend mit systematischen analytischen Methoden zu untersuchen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein geeignetes Multimaterialsystem identifiziert und hinsichtlich seiner Fähigkeit untersucht, trennbare Verbunde zu bilden, die durch einen thermischen Stimulus aktiviert werden können. Hierzu werden ein chemisches und ein physikalisches Treibmittel auf ihre Eignung als Demontage- bzw. Trennmittel evaluiert. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit einer detaillierten Untersuchung des Grenzflächenbereichs innerhalb der Multimaterial-Bauteile. Mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) und Nanoindentierung wurde die Diffusionszone zwischen den Materialien visualisiert und charakterisiert. Es kann gezeigt werden, dass die Breite dieser Diffusionszone durch Variation von Prozessparametern wie Temperatur oder Eintauchzeit gezielt eingestellt werden kann, basierend auf den physikalischen Zusammenhängen, die durch das zweite Fick’sche Diffusionsgesetz beschrieben werden. Dieser Ansatz ermöglicht eine weitere Optimierung sowie Bewertung der mechanischen Leistungsfähigkeit der gedruckten Komponenten.