Kunststoff-3D-Druck Individuell geformte Sensoren additiv fertigen

Die Integration von elektronischen Komponenten in 3D-gedruckte Bauteile stellt eine Herausforderung dar. Nun hat das Fraunhofer IPA zusammen mit den Unternehmen Arburg und Balluff das AKF-Verfahren unter die Lupe genommen. Mit Erfolg.

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Sensoren sind Standard-Komponenten mit festgelegter Geometrie. Induktive Näherungssensoren sind beispielsweise in zylindrischen Metallgehäusen verfügbar, in die eine Spule, eine Platine und ein Stecker in einer starren Konstellation eingebaut werden. Eine individuelle Gehäuseform wäre jedoch interessant, damit sich die Sensoren in eine bestimmte Umgebung einpassen ließen, etwa in einen Roboterarmgreiferfinger.

Sensorgehäuse in beliebiger Form

Im Forschungsprojekt „Elektronische Funktionsintegration in additiv gefertigte Bauteile“ hat nun das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA zusammen mit dem Anlagenherstellers für die Kunststoffverarbeitung Arburg sowie dem Sensor- und Automatisierungsspezialisten Balluff einen Sensor aus Kunststoff in beliebiger Form additiv hergestellt.

Nach Angaben des Fraunhofer IPA musste für das Gehäuse ein Kunststoff mit hoher Durchschlagfestigkeit und flammhemmenden Eigenschaften gefunden werden. Der teilkristalline Kunststoff Polybutylenterephthalat (PBT), der standardmäßig als Spritzgusswerkstoff für die Herstellung von Elektronikgehäusen eingesetzt wird, ist bislang für den 3D-Druck nicht verfügbar. Als Granulat kann er aber im Freeformer mittels Arburg-Kunststoff-Freiformen verarbeitet werden.

Additive Fertigung im AKF-Verfahren

Nach dem Aufschmelzen des Standard-Granulats folgt laut Fraunhofer IPA das werkzeuglose Freiformen: Ein hochfrequent getakteter Düsenverschluss trägt hierbei kleinste Kunststofftropfen aus, die mit Hilfe eines beweglichen Bauteilträgers exakt positioniert werden. Schicht für Schicht entstehen dreidimensionale Bauteile mit Kavitäten, in die während des Druckprozesses Bauteile eingelegt werden können. Dafür unterbricht der Bauprozess automatisch in den jeweiligen Schichten. Spule, Platine und Stecker können so passgenau integriert werden. Mit einem Dispenser werden in einer separaten Anlage die Leiterbahnen aus Silber im Inneren des Gehäuses erzeugt. Am Schluss werden die Kavitäten überdruckt und mit Polyurethan zu vergossen.

Erfolgreiche Tests

Mehr als 30 Demonstratoren der individualisierten Sensoren wurden hergestellt und anschließend getestet. Sie mussten Temperaturwechsel und Vibrationen verkraften, wasserdicht sein und einen elektrischen Isolationstest bestehen. Durch Optimierung von Design und Herstellungsprozess wurden die Tests am Ende erfolgreich absolviert, heißt es. Zukünftig sollen auch leitfähige Kunststoffe eingesetzt werden können, um weitere Anwendungsfelder zu erschließen.

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