Additive Fertigung polymerer optischer Wellenleiter im Aerosol-Jet-Verfahren

Files
16006_Reitberger_Diss_MB_361.pdf (5.36 MB)
Diss. Reihe Maschinenbau, Band 361

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2021-03-05
Issue Year
2021
Authors
Reitberger, Thomas
Editor
Franke, Jörg
Hanenkamp, Nico
Merklein, Marion
Schmidt, Michael
Wartzack, Sandro
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-401-1
Abstract

The digitalization will continue to increase in the coming years and will probably reach undreamt dimensions. In the course of Industry 4.0 and the associated networking of plant parks, modern transportation in air on road and on water, and last but not least modern life with smart home and constant connection to the internet via smartphone, the status offline will probably no longer exist in the near future. Currently, ways and means have to be found to store the ever increasing data packets and to make them transferable in real time if possible. At this point the research work carried out here starts and presents for the first time the possibility of a user-defined applying of polymer optical waveguides (POWs) by digital direct printing using the example of aerosol-jetprinting on the respective substrate surface. The POWs generated in this way achieve values of transmittance over 91 %, attenuation rates of up to 0.2 dB/cm and are capable of transmitting up to 10 Gbit/s, which qualifies them for the necessary substitution of metallic conductors. Based on the fundamentals of optical data transmission, a definition of the term polymer optical waveguide and its differentiation from common waveguide forms is given by the manufacturing process used. Subsequently, the OPTAVER-Process and the associated process chain are described. During the qualification of the manufacturing process, important basics for future further work and first industrial applications could be developed. In AJ-printing, POWs with optical quality can be built up on three-dimensional surfaces, but there are still some challenges that have to be met. Suitable materials, process parameters, qualification and characterization and modelling methods could be identified and their suitability evaluated. In future applications, the technology presented here should therefore be taken into account, since resources, materials and weight can be saved, and a fully functional network structure can be adapted to the respective requirements. A few adjustments to the machine settings can manipulate the length, width, height, layout and the associated data transmission capacity. Finally, the solution approach presented here is characterized by its environmental friendliness, as the use of chemicals, which are needed in standard etching or developing processes, can be dispensed with.

Abstract

Die Digitalisierung wird in den kommenden Jahren weiter voranschreiten und voraussichtlich ungeahnte Dimensionen annehmen. Den Zustand „offline“ wird es im Zuge von Industrie 4.0 und der damit verbundenen Vernetzung der Anlagenparks, dem modernen Transportwesen in der Luft, auf der Straße sowie zu Wasser und nicht zuletzt dem modernen Leben mit Smart-Home und ständiger Anbindung an das Internet via Smartphone in der nahen Zukunft wohl nicht mehr geben. Aktuell gilt es Mittel und Wege zu finden, die immer größer werdenden Datenpakete zu speichern und möglichst in Echtzeit übertragbar zu machen. An dieser Stelle setzt die hier durchgeführte Forschungsarbeit an und präsentiert erstmalig die Möglichkeit, polymere optische Wellenleiter (POW) durch digitalen Direktdruck am Beispiel des Aerosol-Jet-Drucks auf der jeweiligen Substratoberfläche benutzerdefiniert aufzubringen. Die so erzeugten POW erreichen aktuell einen Transmissionsgrad von über 91 %, Dämpfungsraten von bis zu 0,2 dB/cm und sind in der Lage bis zu 10 GBit/s zu übertragen, welches sie für die notwendige Substitution metallischer Leiter qualifiziert. Anhand der Grundlagen der optischen Datenübertragung erfolgt eine Definition des Begriffs polymerer optischer Wellenleiter und dessen Abgrenzung zu gängigen Wellenleiterformen durch das verwendete Herstellungsverfahren. Im Anschluss wird der OPTAVER-Prozesses und die damit verbundene Prozesskette beschrieben. Bei der Qualifizierung des Herstellungsverfahrens konnten wichtige Grundlagen für zukünftige weiterführende Arbeiten bzw. erste industrielle Anwendungen erarbeitet werden. So können im AJ-Druck POW mit optischer Güte auf dreidimensionalen Oberflächen aufgebaut werden. Es konnten geeignete Materialien, Prozessparameter, Qualifizierungs- bzw. Charakterisierungs- und Modellierungsmethoden identifiziert und auf deren Eignung hin evaluiert werden. In zukünftigen Anwendungen sollte somit die hier vorgestellte Technologie durchaus berücksichtigt werden, da hierdurch Ressourcen, Material und Gewicht eingespart werden können und darüber hinaus die Möglichkeit besteht, eine voll funktionsfähige optische Versorgungs- und Kommunikationsnetzwerkstruktur an den jeweiligen Bedarf anzupassen. Durch geringe Änderungen der Maschineneinstellungen können Länge, Breite, Höhe und Layout sowie damit verbunden die Datenübertragungseigenschaften manipuliert werden.

Series
FAU Studien aus dem Maschinenbau
Series Nr.
361
Citation
mb.fau.de/diss
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-400-4
Faculties & Collections
Zugehörige ORCIDs