Search

Digitally controlled inkjet printing technology has attractive features for the production of catalyst coated membranes (CCM) for application either in electrolysers or in fuel cells. There are a number of unique features: pattern like coating for effective use of expensive materials like platinum or iridium, direct deposition onto membrane material, non-impact printing, easy change of pattern design, and ability to generate catalytic gradients. Employing inkjet printing technology enables the manufacturing of catalytic layers as well as other components. The challenges are to evaluate process-compatible inks as well as processing parameters. Die digital gesteuerte Inkjetdrucktechnologie hat attraktive Eigenschaften für die Herstellung von katalysatorbeschichteten Membranen (CCM), die entweder in Elektrolyseuren oder in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Es gibt eine Reihe einzigartiger Merkmale: mustergenaue Beschichtung für den effektiven Einsatz teurer Materialien wie Platin oder Iridium, direkte Bedruckung des Membranmaterials, berührungsfreies Drucken, einfache Änderung des Druckdesigns und die Fähigkeit, katalytische Gradienten zu erzeugen. Der Einsatz der Inkjetdrucktechnologie ermöglicht die Herstellung von katalytischen Schichten und anderen Komponenten. Die Herausforderungen bestehen darin, prozesskompatible Tinten sowie Verarbeitungsparameter zu evaluieren.

Ein bedeutender Punkt in der Brennstoffzellentechnologie ist der Einsatz von platinhaltigen Elektroden, welche die Brennstoffzellentechnologie zu einer teuren Technologie macht. Zum jetzigen Zeitpunkt werden die katalytischen Schichten in großen Maßstäben als Endlos-Elektroden produziert, was dazu führt, dass die einzelnen Elektroden für die Stacks ausgeschnitten und hierbei viel nicht genutztes Elektrodenmaterial, sprich Abfall entsteht. Dieser kann später recycelt werden, jedoch ist eine 100 %ige Rückgewinnung der eingesetzten Rohstoffe nicht möglich. Die Drucktechnik bietet eine Möglichkeit diese Entstehung von Abfall zu vermeiden. Mittels der verschiedenen Drucktechnologien, wie z. B. Inkjet-, Tief- und Siebdruck ist es möglich Elektroden mit gezielten Geometrien zu fertigen, sprich die Elektrodenschichten werden genau an die Erfordernisse angepasst. Der Aufbau von Multilagen ist präzise möglich und es können MEA´s (Membran-Electrode Assembly) mit scharfen, klar abgegrenzten Kanten erstellt werden. In diesem Paper werden Ergebnisse der Inkjet- und Tiefdrucktechnologie vorgestellt, sowie deren Charakterisierung. Da bereits kleinste Unregelmäßigkeiten in den Elektroden zu einem Ausfall des Systems führen können, werden die katalytischen Schichten mittels Oberflächenprofilometer (Veeko Dektak 150) auf ihre Homogenität untersucht. Darüber hinaus werden die Leitfähigkeiten (SÜSS Microtec PM5 Probe System) und die Haftung der gedruckten Schichten in Abhängigkeit von der Drucktechnologie betrachtet. An important point in fuel cell technology is the use of platinum-containing electrodes, which makes fuel cell technology an expensive technology. At present, the catalytic layers are produced on a large scale as continuous electrodes, which results in the individual electrodes being cut out for the stacks, resulting in a lot of unused electrode material, i.e. waste. This can be recycled later, but 100 % recovery of the raw materials used is not possible. The printing technology offers a possibility to avoid this generation of waste. Using the various printing technologies, such as inkjet, gravure, and screen printing, it is possible to produce electrodes with specific geometries, i.e. the electrode layers are precisely adapted to the requirements. The construction of multilayers is precisely possible and MEA's (Membrane Electrode Assembly) with sharp, clearly defined edges can be created. This paper presents the results of inkjet and gravure printing technology and their characterization. Since even the smallest irregularities in the electrodes can lead to system failure, the homogeneity of the catalytic layers is examined using a surface profilometer (Veeko Dektak 150). In addition, the conductivities (SUSS Microtec PM5 Probe System) and the adhesion of the printed layers will be examined as a function of the printing technology.

The research is focused on the development of inkjet-printed silver grids on flexible films to (I) attenuate electromagnetic waves at 2.45 GHz locally by applying them directly on Wi-Fi or Bluetooth transmitter or to (II) protect electromagnetic compatibility (EMC) sensitive devices close to electromagnetic transmitters. The inkjet printing technology leads to resource, time as well as cost efficient manufacturing and simplifies the adjustment of the pattern design regarding different applications. The research contains a fundamental analysis of the behavior of printed silver patterns on flexible polymer substrates regarding line widths, layer morphology and electrical performance. On that basis the grid pattern for a certain frequency range is simulated. The report shows first simulation results on basis of the given material parameters. The results are the fundamentals for further research on realization of the simulated grid patterns by inkjet printing technology., Technologies for Lightweight Structures (TLS), Vol 1, No 2 (2017): Special Issue: 3rd International MERGE Technologies Conference (IMTC), 21st - 22nd September 2017, Chemnitz

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von anwendungsspezifisch angepassten und drucktechnisch herstellbaren Antennen für Radio‐Frequency‐Identification (RFID) Anwendungen im Ultra‐High‐Frequency (UHF) und Super‐High‐Frequency (SHF) Frequenzbereich. Dabei werden alle Entwicklungsschritte und deren Abhängigkeiten vom Antennenentwurf über die Simulation, die Herstellung im Druckverfahren und die Antennenvermessung betrachtet. Die Alleinstellungsmerkmale der vorliegenden Arbeit liegen in der Erforschung von Antennen, welche eine hohe Funktionalität in herausfordernden dielektrischen oder metallischen Umgebungen (Glas, Holz, Papier, Aluminium, …) aufweisen sowie im Druckverfahren hergestellt werden. Mit Hilfe von FEM‐ und MoM‐Berechnungen werden neu entwickelte Antennenkonzepte wie 898 MHz‐Dipolantennen, 868 MHz‐Längsstrahler‐ Antennenkonfigurationen, 868 MHz‐(Reflektor)‐Antennenkonfigurationen und 5.8 GHz‐3D‐Dipol‐ Antennendesigns zur Erhöhung der Kommunikationsfähigkeit untersucht und beschrieben. Dabei werden hinsichtlich der 868 MHz‐Längsstrahler‐Antennenkonfiguration, zur Funktion in direkter metallischer Umgebung, Performance mindernde Depolarisationseffekte nachgewiesen. Eine Minimierung dieser Effekte wird mit der gezielten Krümmung elektromagnetischer Wellenfronten zwischen abstrahlendem Antennenelement und Reflektor erreicht. Der Nachweis wird anhand einer selbst entwickelten 868 MHz‐(Reflektor)‐Antennenkonfiguration geführt. Um die Leistungsfähigkeit gedruckter Antennen weiter zu steigern, werden Antennen mit gerichteter Abstrahlcharakteristik mit einer Resonanzfrequenz von 5.8 GHz und einer Frequenzbandbreite von 150 MHz entworfen. Als ein Ergebnis werden Antennen mit dreidimensionaler Geometrie vorgestellt. Die Besonderheit hierbei liegt in der planaren Herstellung der Antenne im Druckverfahren und der anschließenden dreidimensionalen Aufrichtung. Die entwickelten Antennen sind direkt in kommerzielle und industrielle Anwendung überführbar. This doctoral thesis focuses on research and development in the field of novel, optimized and printed antenna structures for UHF and SHF-RFID applications in challenging dielectric and metallic environments. These antenna structures have a high level of functionality, the manufacturing costs are low and they can easily be integrated. At the beginning of this work, based on wave equations it had been deduced that the propagation of electromagnetic waves in different media is dependent on the two material parameters permeability and permittivity. Based on this knowledge and further application- and manufacturing-specific parameters (resonance frequency, radiation characteristics, impedance, properties of the object which is to be identified (form, geometry, permeability and permittivity) and manufacturing-specific properties (substrate, material and printed layer thereof)), dipole antenna designs for different dielectric environments (air, paper, glass or wood) were designed, investigated with the help of a simulation tool, manufactured employing screen and gravure printing technologies and characterized in an anechoic chamber. The employed printing technologies are very dynamic processes which depend on various process parameters. In order to improve the functionality of printed antenna structures, several dependencies between the printing processes and the achieved antenna properties have been investigated. Summed up, it can be stated that next to all manufacturing-specific dependencies, the antenna design itself is the most significant factor influencing the achievable antenna properties. Next to carrying out research on dielectric antennas in the near field, finding novel antenna concepts for the realization of highly functional UHF-RFID-transponder-antennas for the application on metallic objects was also part of this investigation. Important to account for is that the metallic objects influence the propagation of electromagnetic waves. In order to efficiently use this physical property of the reflection of electromagnetic waves, novel UHF-reflector-antenna configurations have been designed. Afterwards, its antenna-polarizations behavior was investigated in several simulations before the antenna was manufactured employing screen printing technology and characterized in an anechoic chamber. The developed antenna-configuration showed impressive RFID-reading distances up to 8.1 m (with a RFID-reader transmitting power of 1 W ERP) and compared to the state-of-the-art technology (reading distance approx. 5 m). Therefore this technology enhances the reading performance (distance) by approximately 60 %. In order to improve the communication quality of future RFID-systems, also novel, multi-directional 3D-RFID transponder antenna structures with a resonance frequency of 5.8 GHz were designed. Because of the increased resonance frequency compared to already existing UHF-RFID systems, the usage of a broader-band RFID-frequency range is possible (5.725 GHz – 5.875 GHz (150 MHz) instead of just several kHz). This allows identifying significantly more objects (> 100) in parallel. The three-dimensional layout of two antenna parts vertical to each other allows a directional (not omni-directional) radiation characteristic outside the enclosed volume of space. Because of this, the influence of dielectric materials (for instance content of product packages) on the functionality of the antenna could be significantly reduced. Also, it was shown that the designed 3D-antenna structure could easily be integrated directly on the interior of for instance product packages employing screen printing technology. After folding/erecting the product package, the antenna receives its three dimensional shape and its verified improved performance.