Bisher war es nicht möglich, Sensoren und andere elektronische Geräte in einem einzigen Arbeitsgang additiv zu fertigen. Genau das ist nun einem Forschungsteam vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart gelungen.
Eine entscheidende Rolle spielen dabei leitfähige Kunststoffe wie mit Rußteilchen gemischte TPE. Als Anwendungsmöglichkeiten für Bauteile daraus nennen die Forscher beispielsweise kapazitive Sensoren wie Touch-Schalter oder Füllstandmesser, aber auch Heizmatten oder Orthesen, die an bestimmten Stellen am Körper Wärme abgeben. „Man könnte auch die Sauggreifer von Robotern mit Leiterbahnen aus TPE ausstatten und so den Materialverschleiß überwachen. Je höher der Widerstand, desto abgenutzter der Greifer“, erläutert Stefan Pfeffer, der das Thema mit seinem Team im Forschungsprojekt „Elektronische Funktionsintegration in additiv gefertigte Bauteile“ bearbeitet hat.
Den Mitarbeitenden vom Zentrum für Additive Produktion des Fraunhofer IPA ist es gelungen, mit einem 3D-Drucker induktive Näherungssensoren in beliebiger Form herzustellen. Dabei hat das Team zusammen mit dem Kunststoffmaschinenhersteller Arburg untersucht, welche leitfähigen Kunststoffe anstelle von Silber oder Kupfer geeignet wären. Die Forscher testeten dazu, wie sich thermoplastische Elastomere (TPE), die mit Rußpartikeln vermischt wurden, im Drucker verhalten.
Zunächst fahndete das Forschungsteam nach einem TPE mit möglichst geringem elektrischen Widerstand. Denn je kleiner der Widerstand, desto mehr Anwendungsmöglichkeiten gibt es. Das ausgewählte Material unterzogen Pfeffer und seine Mitstreiter einer ganzen Reihe von Materialtests: Sie setzten es Hitze und Kälte aus, um zu prüfen, wie sich der elektrische Widerstand verändert. Sie leiteten Strom mit immer höherer Spannung hindurch, bis die Leiterbahnen durchschmorten. Sie dehnten das TPE, um herauszufinden, bis zu welchem Punkt es in seine ursprüngliche Form zurückfindet und wie die Leitfähigkeit unter Zug allmählich abnimmt. Sie ließen das Material künstlich altern, um zu sehen, wie sich das auf die Leitfähigkeit auswirkt. Und sie setzten es auf einem Flachdach ein Jahr lang Wind und Wetter aus, um herauszufinden, wie das TPE verwittert und wie sich seine Eigenschaften währenddessen verändern.
Entscheidende Einstellungen am 3D-Drucker
Untersucht wurde unter anderem, mit welchen Einstellungen am Freeformer, dem von Arburg entwickelten additiven Fertigungssystem, sich der elektrische Widerstand des Materials zu minimieren ließ und ob die Druckrichtung einen Einfluss auf die Leitfähigkeit der Bauteile hat.
Um seinen Zweck erfüllen zu können, muss das leitfähige TPE während des Drucks in einen anderen thermoplastischen Kunststoff mit isolierenden Eigenschaften eingebettet werden. Die Crux dabei: Die beiden Kunststoffe müssen aneinanderhaften – im Idealfall lassen sie sich danach nicht mehr trennen. Sie dürfen beim Druckprozess aber nicht verschmieren, denn in einem solchen Fall gibt es keine klare Trennung mehr zwischen leitfähigem und isolierendem Material. Ein Kurzschluss droht.
Geklärt hat das Forschungsteam um Pfeffer außerdem die Frage, wie sich elektronische Bauteile wie LEDs, Widerstände oder Mikrocontroller am besten einbauen und mit der gedruckten TPE-Leiterbahn kontaktieren lassen. Damit ist es nun möglich, das Gehäuse und die Elektronik, die es umschließt, in einem einzigen Arbeitsgang additiv zu fertigen.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Stefan Pfeffer
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart
E-Mail: stefan.pfeffer@ipa.fraunhofer.de
www.ipa.fraunhofer.de
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