3D-Druck

Sensoren aus dem Drucker

Der 3D-Druck ist in der Industrie angekommen. Allerdings stellte die Integration von elektronischen Komponenten und somit auch die Herstellung von individualisierten Sensoren bisher eine Herausforderung dar. Hier hat jetzt das Fraunhofer IPA zusammen mit den baden-württembergischen Unternehmen Arburg und Balluff einen Durchbruch erzielt.

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Frisch aus dem 3D-Druck: Individuelle Näherungssensoren. 

Näherungssensoren sind Standard in der Industrie. Es gibt es jedoch noch keine induktiven Näherungssensoren, die sich mit ihrer Gehäuseform in eine bestimmte Umgebung einpassen, etwa in einen Roboterarmgreiferfinger.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 Anlagenherstellers für die Kunststoffverarbeitung Arburg sowie des Sensor- und Automatisierungsspezialisten Balluff. 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.

Passgenaue Integration

Der Kunststoff kam als Granulat in den sogenannten "freeformer", das industrielle additive Fertigungssystem von Arburg. Dieser verfügte 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 war es notwendig die Kavitäten mit dem freeformer zu überdrucken und mit Polyurethan zu vergießen.

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.