Design for Disassembly of Additively Manufactured Photopolymers

Abstract

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.

Due to the rapid growth of electronic waste, both academia and industry are encouraged to develop new methods, materials, and processes to reach higher recycling rates and achieve a circular economy model. The ongoing miniaturization of electronic devices is a challenge in particular, as it makes dismantling and recycling of those components extremely difficult. One approach to overcome this issue is to consider the design and the manufacturing process of electronic components. Additive manufacturing (AM), aka 3D printing, is a well-established production method that offers several advantages over conventional manufacturing methods, such as subtractive, formative, or joining. The freedom of design, the broad range of processable materials, and the ability to fabricate micro (and even nano) structures are just some of the benefits. These capabilities can now be used to integrate dismantlable or easily separable features directly into the production of electronic components. Based on this foundation, this work introduces the concept of Design for Disassembly (DfD), aiming to fabricate easily separable multi-material components via 3D printing and to investigate them using systematic analytical methods. In the first part of this work, an appropriate multi-material system was identified and investigated with respect to its ability to form separable compounds that can be activated by a thermal stimulus. Therefore, one chemical and one physical blowing agent were evaluated for their suitability as disassembly agents. The second part of the thesis focuses on an in-depth investigation of the interfacial region within the multi-material components. Using scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray (EDX) spectroscopy, and nanoindentation, the diffusion zone between the materials was visualized and quantitatively characterized. It was demonstrated that the width of this diffusion zone can be deliberately adjusted by modifying printing parameters such as temperature and immersion time, in accordance with the physical principles described by Fick’s second law of diffusion. This approach enabled a targeted enhancement and systematic evaluation of the mechanical performance of the printed components.