Fertigungsstufen des Sensorgehäuses aus dem 3D-Drucker

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

Individualisierte Sensoren sind gerade in der Automatisierungstechnik gefragt. Induktive Näherungssensoren werden hier beispielsweise in zylindrischen Metallgehäusen eingesetzt, in das eine Spule, eine Platine und ein Stecker in einer starren Konstellation eingebaut werden. Diese Art von Sensoren erkennen metallische Objekte berührungslos. Sie registrieren nicht nur, dass sich ein Bauteil annähert, 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.

Welcher Kunststoff für das Gehäuse?

Am Zentrum für additive Produktion am Fraunhofer IPA hat man nun mit Unterstützung von Arburg und Balluff das Sensorgehäuse aus Kunststoff gedruckt, um es in beliebiger Form herstellen zu können. Für das Gehäuse war ein Kunststoff mit hoher Durchschlagfestigkeit und flammhemmenden Eigenschaften gefordert. Die Wahl fiel auf den teilkristallinen Kunststoff Polybutylenterephthalat (PBT). Er wird standardmäßig im Spritzgießen für das Herstellen von Elektronikgehäusen eingesetzt. Bislang wurden solche Materialtype aber noch nicht für den 3D-Druck verwendet.

 

Wie werden die Leiterbahnen integriert?

In Granulatform wurde das PBT im Freeformer von Arburg eingesetzt, der für die Materialaufbereitung mit einer speziellen Plastifizierschnecke ausgestattet war. Nach dem Aufschmelzen des 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 Schicht für Schicht 3D-Bauteile mit Kavitäten, in die während des Druckprozesses Bauteile eingelegt werden konnten. Dafür unterbrach der Freeformer den Bauprozess automatisch in den jeweiligen Schichten. So war es möglich 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. Die Kavitäten wurden mittels Freeformer überdruckt und mit Polyurethan vergossen.

Härtetest für Bauteile

Auf diese Weise konnten mehr als 30 Demonstratoren der individualisierten Sensoren hergestellt werden. Die Bauteile mussten Temperaturwechsel und Vibrationen verkraften, wasserdicht sein und einen elektrischen Isolationstest bestehen. 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.

Quelle: Fraunhofer IPA

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