Fraunhofer IPA: Sensoren aus dem Drucker Additiv zu individuellen Sensoren

Redakteur: Konrad Mücke

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung hat zusammen mit dem baden-württembergischen Maschinenhersteller Aarburg und dem Sensorenspezialisten Balluff ein Verfahren entwickelt, durch generatives Fertigen Sensoren mit beliebig geformten Gehäusen zu verwirklichen.

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Sind die Gehäuse aus Kunsstoff auf dem 3D-Drucker aus Einzelschichten aufgebaut, werden die elektronischen und mechanischen Komponenten eingesetzt.
Sind die Gehäuse aus Kunsstoff auf dem 3D-Drucker aus Einzelschichten aufgebaut, werden die elektronischen und mechanischen Komponenten eingesetzt.
(Bild: Fraunhofer IPA Stuttgart)

Bisher war es äusserst schwierig, individualisierte Sensoren herzustellen. Allerdings werden diese für die Automatisierung zunehmend benötigt. Beispielsweise die Bestandteile induktiver Näherungssensoren (Spule, Platine, Steckverbinder), die in grossen Seri­en hergestellt werden, befinden sich üblicherweise in einem standardisierten zylindrischen Metallgehäuse. Ist beabsichtigt, solche Sensoren einzubauen, müssen die Konstrukteure den entsprechenden Einbauraum vorsehen. Das erweist sich oft als schwierig, beispielsweise beim Einbau eines Näherungssensors in einen Finger eines Robotergreifers.

Individuell gestaltete Gehäuse

Um Sensoren mit individuell geformten Gehäusen herzustellen, eignet sich die generative Fertigung. Beim Aufbau des Gehäuses lassen sich die Sensorkomponenten im Bauprozess in das Gehäuse in beliebiger Lage und Position integrieren. So erhält man Sensoren, die sich in die vorgesehene Umgebung einfügen, beispielsweise in einen Robotergreifer. Für Näherungsschalter und andre elektrische und elektromagnetische Sensoren benötigt man Gehäuse aus einem Kunststoff, der gegen elektrischen Durchschlag beständig und zudem flammhemmend ist. Die Spezialisten des Fraunhofer-­Instituts wählten den teilkristallinen Kunststoff Polybutylenterephthalat (PBT). Er dient üblicherweise zum Spritzgiessen von Elektronikgehäusen. Bisher hat man diesen Kunststoff nicht zum additiven Fertigen genutzt.

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Schichtweise aufbauen

In einem 3D-Drucker freeformer vom Hersteller Arburg werden die individuell konstruierten Gehäuse schichtweise aufgebaut. Dazu spritzt das Gerät bei hoher Frequenz jeweils einzelne Tropfen plastifizierten Kunststoff auf. Dabei wird die Bauplattform so bewegt, dass die programmierten Konturen und Wände entstehen. So fertigt der 3D-Drucker dreidimensionale Bauteile mit Kavitäten, in die während des Druckprozesses Bauteile eingelegt werden. Um dies zu ermöglichen, unterbricht der 3D-Drucker seinen Arbeitsablauf. So kann das Fachpersonal die Spule, die Platine und den Steckverbinder für die Näherungssensoren passgenau einbringen.

Leiterbahnen auftragen

Ein Dispenser generiert anschliessend auf einer separaten Anlage die erforderlichen Leiterbahnen aus Silber. Danach verschliesst der 3D-Drucker die Gehäuse, indem er weitere Schichten Kunststoff aufbringt. Damit sie beständig sind, werden die Gehäuse zusätzlich mit Polyurethan vergossen. Bisher sind so etwa 30 individuell geformte Sensoren entstanden. Diese wurden hinsichtlich ihrer Tauglichkeit sorgfältig geprüft, beispielsweise auf Dichtheit gegen Feuchtigkeit und Beständigkeit gegen Vibrationen. Bisher sind so mehr als 30 individuelle Sensoren entstanden, um zu prüfen und zu demonstrieren, dass der 3D-Druck funktioniert und für weitere Komponenten genutzt werden kann. Nach dem schrittweisen Optimieren der Konstruktion und der Prozesse hat sich das tatsächlich erwiesen. Stefan Pfeffer, verantwortlich beim Fraunhofer-­Institut IPA für das Projekt, forscht derzeit in Kooperation mit dem Maschinenhersteller Arburg an Möglichkeiten, leitfähige Kunststoffe für ähnliche Anwendungen nutzen zu können. - kmu - SMM

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