Individualisierte Sensoren aus dem 3D-Drucker

Demonstrator des mittels 3D-Druck hergestellten, individualisierten Sensors in den unterschiedlichen Fertigungsstufen: CAD-Konzept (oben links), nach der Integration der elektronischen Komponenten (oben rechts) und als fertiger Demonstrator (unten). Foto: Fraunhofer IPA

Das IPA meldet einen Durchbruch bei der Herstellung individualisierter Sensoren durch Integration elektronischer Komponenten in 3D-gedruckte Gehäuse.

Bisher stellt die Integration von elektronischen Komponenten in 3D-gedruckte Gehäuse und somit auch die Herstellung von individualisierten Sensoren eine echte Herausforderung dar, doch jetzt hat das Fraunhofer IPA zusammen mit den baden-württembergischen Unternehmen Arburg und Balluff einen Durchbruch erzielt.

Integrierte Sensoren im Robotergreifer werden möglich

Für Aufgaben in der Automatisierungstechnik sind Sensoren in individualisierter Form interessant, da diese vielseitig eingesetzt werden können. Induktive Näherungssensoren sind in zylindrischen Metallgehäusen verfügbar, in die eine Spule, eine Platine und ein Stecker in einer starren Konstellation eingebaut werden – eine Standard-Komponente mit festgelegter Geometrie. In der Automatisierungstechnik werden induktive Näherungssensoren in großer Stückzahl eingesetzt, um metallische Objekte berührungslos zu erkennen.

Sie können in industriellen Anwendungen jedoch nicht nur registrieren, dass sich ein Bauteil angenähert hat, sondern auch in welcher Entfernung es sich befindet. Allerdings gibt es noch keine induktiven Näherungssensoren, die sich mit ihrer Gehäuseform in eine bestimmte Umgebung einpassen, etwa in einen Roboterarmgreiferfinger.

Beliebig geformte Gehäuse für individualisierte Sensoren

Warum also nicht das Gehäuse des Sensors aus Kunststoff drucken, um es in beliebiger Form herstellen zu können? Genau das hat ein Forschungsteam vom Zentrum für additive Produktion am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA nun getan. Unterstützt wurde es dabei von Mitarbeitenden des Kunststoffmaschinenherstellers Arburg GmbH & Co. KG sowie des Sensor- und Automatisierungsspezialisten Balluff GmbH.

Für das Gehäuse des Sensors war ein Kunststoff mit hoher Durchschlagfestigkeit und flammhemmenden Eigenschaften gefordert. Die Fachleute wählten den teilkristallinen Kunststoff Polybutylenterephthalat (PBT), der standardmäßig als Spritzgusswerkstoff für die Herstellung von Elektronikgehäusen eingesetzt wird. Allerdings wurde eine solche Materialtype bislang nicht für den 3D-Druck verwendet, sodass Pionierarbeit nötig war.

Leiterbahnen im 3D-gedruckten Gehäuse

Der Kunststoff kam als Granulat in den Freeformer, das industrielle additive Fertigungssystem von Arburg. Dieser verfügt im Gegensatz zu vielen anderen 3D-Druckern über eine Materialaufbereitung mit spezieller Plastifizierschnecke. Nach dem Aufschmelzen des Standard-Granulats folgte das werkzeuglose Freiformen: Ein hochfrequent getakteter Düsenverschluss trug kleinste Kunststofftropfen aus, die mit Hilfe eines beweglichen Bauteilträgers exakt positioniert werden konnten.

Auf diese Weise entstanden im Freeformer Schicht für Schicht dreidimensionale Bauteile mit Kavitäten, in die während des Druckprozesses Bauteile eingelegt werden konnten. Um dies zu ermöglichen, unterbrach der Freeformer den Bauprozess automatisch in den jeweiligen Schichten, sodass es möglich war Spule, Platine und Stecker passgenau zu integrieren.

Mit einem Dispenser konnten im Anschluss in einer separaten Anlage die Leiterbahnen aus Silber im Inneren des Gehäuses erzeugt werden. Schlussendlich wurden die Kavitäten mit dem Freeformer überdruckt und mit Polyurethan vergossen.

Demonstratoren auf Herz und Nieren getestet

Das Team stellte auf diese Weise mehr als 30 Demonstratoren der individualisierten Sensoren her, um sie anschließend auf Herz und Nieren zu testen: Die Bauteile mussten etwa Temperaturwechsel und Vibrationen verkraften, sie mussten wasserdicht sein und einen elektrischen Isolationstest bestehen. Durch Optimierung von Design und Herstellungsprozess wurden die Tests am Ende erfolgreich absolviert.

Das Forschungsprojekt „Elektronische Funktionsintegration in additiv gefertigte Bauteile“ hatte eine Laufzeit von anderthalb Jahren. Stefan Pfeffer, der das Projekt am Fraunhofer IPA verantwortete, forscht derzeit in Kooperation mit Arburg daran, wie zukünftig auch leitfähige Kunststoffe eingesetzt werden können, um weitere Anwendungsfelder zu erschließen.

Die Additive Fertigung/3D-Druck zählt übrigens zu den Kernkompetenzen des Fraunhofer IPA, das im Internet einen Überblick über die vielen verschiedenen Projekte gibt. An welche weiteren Entwicklungen Arburg beim Freeformer gerade arbeitet, erklärte Freeformer-Vertriebsleiter Lukas Pawelczyk vor kurzem im Exklusiv-Interview mit der K-ZEITUNG.

gk