Laserdirektstrukturieren Metall sticht Kunststoff bei LDS-Pulverbeschichtung aus

Autor / Redakteur: Stéphane Itasse / Stéphane Itasse

Ein Lasertechnikhersteller hat das Laserdirektstrukturieren von pulverbeschichtetem Kunststoff zur Prozessreife entwickelt und in den vergangenen zehn Jahren umfangreiche Erfahrungen damit gesammelt. Jetzt macht das Unternehmen dieses Verfahren auch für Metallkörper anwendbar.

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Bild 1: Pulverbeschichtetes, laserdirektstrukturiertes und mit LED bestücktes Metallbauteil: Das LDS-Verfahren von LPKF ermöglicht die Herstellung neuartiger Beleuchtungskörper.
Bild 1: Pulverbeschichtetes, laserdirektstrukturiertes und mit LED bestücktes Metallbauteil: Das LDS-Verfahren von LPKF ermöglicht die Herstellung neuartiger Beleuchtungskörper.
(Bild: LPKF)

Beim LDS-Verfahren (Laserdirektstrukturieren) wird normalerweise ein Bauteil aus einem LDS-dotierten Kunststoff hergestellt. Der Laser legt die Leiterbahnstrukturen auf der Oberfläche an, in einem stromlosen Metallisierungsbad bilden sich danach auf den Strukturen zunächst Leiterschichten (Kupfer, Nickel oder Gold). Das Unternehmen LPKF Laser & Electronics AG hat nach eigenen Angaben das Beschichtungs- und Strukturierungsverfahren bis zur Prozessreife entwickelt und seit mehr als zehn Jahren Erfahrungen mit Kunststoffprodukten gesammelt.

Anstelle des LDS-Kunststoffs wird beim LPKF-LDS-Powdercoating ein metallischer Grundkörper mit dem LDS-Pulverlack beschichtet. Pulverbeschichtung funktioniert gut auf metallischen Oberflächen wie Stahl oder Aluminium, aber auch auf elektrisch leitenden Kunststoffen.

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Metallische Träger bieten Vorteile im Vergleich zum Kunststoff

Der Pulverauftrag erfolgt in einem elektrostatischen Verfahren, was nach Angaben des Laserspezialisten eine homogene Schicht mit genau definierbarer Dicke garantiert. Die metallischen Träger übernehmen mechanische Aufgaben, helfen bei der Wärmeabfuhr und dienen als Verbindungselemente für darauf applizierte LED.

Die so beschichteten metallischen Körper lassen sich genauso wie Kunststoffbauteile mit dem Laser strukturieren und anschließend metallisieren. Ihr Vorteil besteht darin, dass die physikalischen Eigenschaften des Metallträgers für die mechanische Funktion voll erhalten bleiben und dass sie eine bessere Wärmeverteilung im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen bieten, wie Bernd Rösener von der LDS-Prozessentwicklung bei LPKF erläutert.

Einfache und sichere Entwärmung dank metallischem Grundkörper

Interesse an metallischen Grundkörpern besteht nach Auskunft von Rösener in erster Linie bei Herstellern von LED-Beleuchtungen, denn sie ermöglichten eine einfache und sichere Entwärmung auch bei geringen Wandstärken. Damit würden Signal- und Versorgungsleitungen sowie Heizungen auf den Metallkörpern möglich, zum Beispiel Sensorik auch auf Gehäusen und Leistungselektronik nach galvanischer Verstärkung. Vorteile für Kunststoffe ergäben sich hingegen bei Antennenanwendungen, der Verarbeitung im Spritzgussverfahren oder beim Laserschweißen von Housings.

Pulverlackierung bietet hohe elektrische Durchschlagfestigkeit auch auf Metall

Verwendet man metallische Grundkörper, ist auch die elektrische Isolierung zu den Leiterbahnen laut Rösener sichergestellt: „Die elektrostatische Pulverlackierung kann Schichtdicken mit sehr geringen Schwankungen aufbauen. Die Stärke des LDS-Pulverlacks liegt bei circa 60 bis 80 µm. Da der Laser nur gering in das Material eindringt, ergeben sich nach Messungen hohe Durchschlagsfestigkeiten über 4 kV.

Das LPKF-LDS-Powdercoating liegt in den Varianten PES 200 und PU 100 vor. Die seidenmatte PES-Oberfläche ist nach Angaben des Herstellers auf hohe mechanische Stabilität optimiert, das glänzende PU 100 bietet robustere chemische und thermische Eigenschaften. Aus Gründen der mechanischen Stabilität und Lackhaftung seien beim PU 100 Eckenradien von 2 mm konstruktiv einzuhalten. Für die Haftfestigkeit der elektronischen Bauteile auf den Leiterbahnen würde sich bei beiden ein Wert zwischen 90 und 120 N ergeben – dieser liege im Bereich herkömmlicher Leiterplatten, zum Beispiel bei FR4-Materialien.

Beim Löten ist PU 100 für einen fünfsekündigen Löteinsatz bei 270 °C zugelassen, während PES 200 auf 240 °C beschränkt ist, wie der Hersteller weiter berichtet. Eine Zertifizierung nach V-0 (UL-94) hat LPKF nach eigenen Angaben inzwischen für beide Lacke erhalten.

Beide Pulverlacke sind in Gebinden von 2 kg (Testmuster) und 20 kg (Serienproduktion) erhältlich. Das LDS-Powdercoating ist weder Gefahrgut noch Gefahrstoff und wie herkömmlicher Pulverlack zu verarbeiten, wie es heißt.

Chemische Metallisierung wie bei den erprobten Kunststoffbauteilen

Die Verfahren zur chemischen Metallisierung entsprechen den erprobten Verfahren für die Kunststoffbauteile. Wichtig ist, dass der Metallkörper vollständig umschlossen ist. Ist diese Bedingung erfüllt, lassen sich die üblichen Aufbauten (Kupfer/Nickel/Gold) chemisch herstellen. Auch eine galvanische Nachkontaktierung zum Aufbau größerer Schichtdicken ist möglich. Eine Metallisierung in einer Trommel wird nicht empfohlen.

Bei der Anwendung sind dann die folgenden Prozesszeiten einzukalkulieren: Lackierung circa 5 min, Lackeinbrennung 30 min, Laserstrukturierung 1 min und Metallisierung 180 min. Alle Prozesse laufen mit einer größeren Zahl von Bauteilen parallel. Die Zykluszeiten bei der Laseraktivierung und bei der Metallisierung unterscheiden sich nicht von denen der Kunststoffbauteile (Laseraktivierung: 4000 mm/s pro Lasereinheit).

Seit den ersten Ankündigungen des Pulverlacks LPKF LDS-Powdercoating im Herbst 2013 haben sich Entwickler mit ganz unterschiedlichen Einsatzgebieten gemeldet. Produzenten von LED-Beleuchtungskörpern können mit dem LDS-Pulverlack ganz neue Produktlayouts realisieren, denn LED-Beleuchtung ist auf die räumliche Anordnung der LED und gute thermische Eigenschaften angewiesen.

* Weitere Informationen: LPKF Laser & Electronics AG, 30827 Garbsen

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