Elektronische componenten integreren bij 3D-printing

3D-printing wordt steeds belangrijker in de industriële productie. Het maakt het niet alleen mogelijk om zeer complexe vormen te produceren die anders vrijwel onmogelijk te genereren zouden zijn met conventionele processen, maar maakt het ook mogelijk om kleine batchaantallen te produceren op een kosteneffectieve basis. Tot dusver vormde de integratie van elektronische componenten en bijgevolg de productie van op maat gemaakte sensoren echter een uitdaging. Nu heeft Fraunhofer IPA samen met de Baden-Württembergse bedrijven Arburg en Balluff een doorbraak bereikt.

Sensoren in geïndividualiseerde vorm zijn interessant voor taken in de automatiseringstechniek, omdat ze flexibel voor uiteenlopende toepassingen kunnen worden gebruikt. Inductieve naderingsschakelaars zijn verkrijgbaar in cilindrische metalen behuizingen waarin een spoel, een printplaat en een stekker in een vaste configuratie zijn aangebracht - een standaardcomponent met een vaste geometrie. In de automatiseringstechniek worden inductieve naderingsschakelaars in grote aantallen gebruikt voor contactloze detectie van metalen voorwerpen. In industriële toepassingen kunnen zij niet alleen de nabijheid van een component registreren, maar ook op welke afstand deze zich bevindt. Vanwege de vorm van de behuizingen waren inductieve naderingsschakelaars voor integratie in specifieke omgevingen - bijvoorbeeld grijpervingers van robotarmen - tot nu toe echter nog niet ontwikkeld.

 

De vraag rees dan ook: Waarom de sensorbehuizing niet in kunststof printen, zodat deze in elke vorm kan worden gefabriceerd? Dat is precies wat een onderzoeksteam van het Center for Additive Production van het Fraunhofer instituut voor productietechniek en automatisering (IPA) nu heeft bereikt. Het team werd ondersteund door collega's van de kunststofverwerkende machinefabrikant Arburg GmbH & Co. KG en de sensor- en automatiseringsspecialist Balluff GmbH. Voor de sensorbehuizing was een kunststof met hoge diëlektrische sterkte en vlamvertragende eigenschappen nodig. De experts kozen voor de semi-kristallijne kunststof polybutyleentereftalaat (PBT), dat als standaard spuitgietmateriaal wordt gebruikt voor de productie van elektronicabehuizingen. Dit type materiaal was echter nog niet gebruikt voor 3D-printen, waardoor pionierswerk nodig was.

 

Geleidersporen in 3D-printen

De kunststof werd in granulaatvorm ingevoerd in een "freeformer", het industriële additieve fabricagesysteem van Arburg, dat gebruik maakt van een materiaalvoorbereidingseenheid met een speciale plastificeerschroef. Na het smelten van het standaardgranulaat volgde het freeformingproces, waarbij geen mallen worden gebruikt: een hoogfrequente nozzlesluiting loosde minuscule kunststofdruppeltjes, die met behulp van een beweegbare onderdelendrager nauwkeurig konden worden gepositioneerd.

 

Op deze wijze creëerde de freeformer laag voor laag driedimensionale onderdelen met holtes, waarin tijdens het drukproces onderdelen konden worden gestoken. Om dit mogelijk te maken, onderbrak de freeformer het proces automatisch bij elke laag, zodat de spoel, de printplaat en de stekker zeer nauwkeurig konden worden geïntegreerd. In een afzonderlijk proces werden vervolgens met behulp van een dispenser de zilveren geleidingssporen in de behuizing aangebracht. Om het proces te voltooien, hoefden alleen nog maar de holtes te worden overgedrukt en vervolgens in polyurethaan te worden ingegoten.

 

Het team produceerde op deze manier meer dan dertig demonstratiemodellen van aangepaste sensoren en stelde ze vervolgens op de proef: de componenten moesten bestand zijn tegen temperatuurschommelingen en trillingen, ze moesten waterdicht zijn en een elektrische isolatietest doorstaan. Door het ontwerp- en fabricageproces te optimaliseren, konden de tests uiteindelijk met succes worden afgerond.

 

Het onderzoeksproject "Electronic Function Integration in Additively Manufactured Components" liep anderhalf jaar. Stefan Pfeffer, die het project bij Fraunhofer IPA leidde, onderzoekt momenteel samen met Arburg hoe geleidende kunststoffen in de toekomst ook voor andere toepassingen kunnen worden gebruikt.

 

bron: Fraunhofer IPA