Senzory z tiskárny

Demonstrátor individualizovaného senzoru v různých fázích výroby: CAD koncept (vlevo nahoře), po integraci elektronických součástek (vpravo nahoře) a jako hotový demonstrátor (dole).

Demonstrationní model upraveného senzoru v různých fázích výroby: koncept CAD (vlevo nahoře), po integraci elektronických součástek (vpravo nahoře) a jako hotový demonstrační model (dole). (Zdroj: Fraunhofer IPA)

3D tisk se stále více stává důležitým prvkem při průmyslové výrobě. Umožňuje nejen vytvářet velmi složité tvary, které by s tradičními metodami bylo téměř nemožné realizovat. S jeho pomocí lze také ekonomicky vyrábět malé sériové kusy. Nicméně integrace elektronických komponentů a tím i výroba individualizovaných senzorů představovala dosud výzvu. Nyní zde dosáhlo Fraunhofer IPA společně s bavorskými společnostmi ARBURG a Balluff průlomu.

Pro úkoly v automatizační technice jsou senzory v individualizované podobě zajímavé, protože je lze využít různorodě. Indukční senzory jsou dostupné v cylindrických kovových pouzdrech, do nichž je vestavěna cívka, deska a konektor v pevné konfiguraci – standardní komponent s pevnou geometrií. V automatizační technice se indukční senzory používají ve velkém množství k bezkontaktnímu rozpoznávání kovových předmětů. Nicméně je možné je využít nejen k detekci přiblížení součástky, ale i k určení její vzdálenosti. Dosud však neexistují indukční senzory, které by svým tvarem pouzdra zapadly do určitého prostředí, například do prstu robotického ramena.

Pouzdro s libovolným tvarem

Proč tedy nevytisknout pouzdro senzoru z plastu, aby bylo možné jej vyrobit v libovolném tvaru? Přesně to nyní udělal výzkumný tým z Centra pro aditivní výrobu při Fraunhoferově institutu pro výrobní techniku a automatizaci IPA. Podporovali ho pracovníci výrobce zařízení pro zpracování plastů ARBURG GmbH & Co. KG a specialisté na senzory a automatizaci Balluff GmbH. Pro pouzdro senzoru byl požadován plast s vysokou odolností proti průrazu a s požárními vlastnostmi. Odborníci zvolili semi-kristalický plast polybutylentereftalát (PBT), který je běžně používán jako vstřikovací materiál pro výrobu elektronických pouzder. Tento typ materiálu však dosud nebyl použit pro 3D tisk, což znamenalo průkopnickou práci.

Vedení drátů při 3D tisku

Plast byl ve formě granulátu vložen do takzvaného „freeformer“, průmyslového systému aditivní výroby od ARBURGu. Tento disponoval zařízením na přípravu materiálu s specičním plastifikačním šnekem. Po roztavení standardního granulátu následovalo beznástrojové tvarování: vysokofrekvenčním pulzním uzávěrem trysky byly nanášeny nejmenší kapky plastu, které bylo možné přesně umístit pomocí pohyblivého nosiče dílů. Tímto způsobem vznikaly v freeformeru vrstvy trojrozměrných dílů s dutinami, do nichž bylo možné během tisku vkládat díly. Aby bylo možné toto umožnit, freeformer automaticky přerušil konstrukční proces ve vybraných vrstvách, což umožnilo přesné vložení cívky, desky a konektoru. Následně bylo možné v samostatné stanici pomocí dávkovače vytvořit vnitřní vodivé dráty ze stříbra uvnitř pouzdra. Nakonec bylo nutné dutiny překrýt pomocí freeformeru a zalít je polyuretanem.

Výsledkem tohoto postupu tým vyrobil více než 30 demonstračních kusů individualizovaných senzorů, které následně podrobil důkladnému testování: díly musely odolat teplotním změnám a vibracím, být vodotěsné a splnit elektrický izolační test. Díky optimalizaci návrhu a výrobního procesu byly testy nakonec úspěšně absolvovány.

Výzkumný projekt „Elektronická funkční integrace v aditivně vyráběných dílech“ trval jeden a půl roku. Stefan Pfeffer, který projekt vedl v Fraunhoferově IPA, nyní ve spolupráci s ARBURGem zkoumá, jak v budoucnu využívat vodivé plasty k rozšíření dalších oblastí použití.