Lassen sich elektronische Komponenten in 3D-gedruckte Bauteile integrieren, so dass individualisierte Sensoren entstehen? Bisher war das eine Herausforderung. Doch Mitarbeiter des Fraunhofer IPA aus Stuttgart haben zusammen mit den baden-württembergischen Unternehmen Arburg und Balluff gezeigt, dass diese Aufgabe lösbar ist.
Ein Sensor, der zum Greiferfinger passt
Individualisierte Sensoren sind für die Automatisierungstechnik interessant – sie könnten sich zum Beispiel mit ihrer Gehäuseform in eine bestimmte Umgebung einpassen, etwa in einen Greiferfinger am Roboterarm. Induktive Näherungssensoren, die metallische Objekte und deren Entfernung berührungslos erkennen, sind bisher aber nur in zylindrischen Metallgehäusen verfügbar. Eine Spule, eine Platine und ein Stecker werden darin in einer starren Konstellation eingebaut. Die Geometrie einer solchen Standard-Komponente liegt also fest.
Flexibler wird das Ganze, wenn das Gehäuse des Sensors aus Kunststoff besteht und ein 3D-Drucker die gewünschte Form herstellt. Genau das hat ein Forschungsteam vom Zentrum für additive Produktion am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart nun getan. Mitarbeiter der Loßburger Arburg GmbH & Co. KG sowie des Sensor- und Automatisierungsspezialisten Balluff GmbH aus Neuhausen a.d.F. haben sich am Projekt beteiligt.
Ausgewählt: Standardwerkstoff für Elektronikgehäuse
Für das Gehäuse des Sensors war ein Kunststoff mit hoher Durchschlagfestigkeit und flammhemmenden Eigenschaften gefordert. Die Fachleute wählten den teilkristallinen Kunststoff Polybutylenterephthalat (PBT) – ein Standardwerkstoff für den Spritzguss von Elektronikgehäusen. Um das Material für den 3D-Druck zu nutzen, war allerdings Pionierarbeit erforderlich.
Der Kunststoff kam als Granulat in das industrielle additive Fertigungssystem von Arburg, den Freeformer. Dieser bereitet das Material mit einer speziellen Plastifizierschnecke auf. Nach dem Aufschmelzen des Standard-Granulats folgt das werkzeuglose Freiformen: Ein hochfrequent getakteter Düsenverschluss trägt kleinste Kunststofftropfen aus, die ein beweglicher Bauteilträger positioniert. So entstehen dreidimensionale Bauteile mit Kavitäten, in die während des Druckprozesses Bauteile eingelegt werden.
Pause beim 3D-Druck – der Sensor wird einlegt
Dafür unterbricht der Freeformer den Bauprozess automatisch. Dann lassen sich Spule, Platine und Stecker passgenau integrieren. Die Leiterbahnen aus Silber werden im Inneren des Gehäuses anschließend mit einem Dispenser in einer separaten Anlage erzeugt. Die Kavitäten überdruckt der Freeformer, bevor sie mit Polyurethan vergossen werden.
Das Team stellte auf diese Weise mehr als 30 Demonstratoren individualisierter Sensoren her, um sie zu testen: Die Bauteile mussten Temperaturwechsel und Vibrationen verkraften, wasserdicht sein und einen elektrischen Isolationstest bestehen. Design und Herstellprozess wurden entsprechend optimiert. Stefan Pfeffer, der das Projekt am Fraunhofer IPA verantwortet hat, forscht derzeit in Kooperation mit Arburg daran, wie man durch leitfähige Kunststoffe weitere Anwendungsfelder erschließen kann. (op)
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Stefan Pfeffer
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
E-Mail: stefan.pfeffer@ipa.fraunhofer.de www.ipa.fraunhofer.de
