Sensores de la impresora

Demostrador del sensor individualizado en las diferentes etapas de fabricación: concepto CAD (arriba a la izquierda), después de la integración de los componentes electrónicos (arriba a la derecha) y como demostrador terminado (abajo).

Modelo de demostración de sensor personalizado en diferentes etapas de producción: concepto CAD (arriba a la izquierda), después de la integración de los componentes electrónicos (arriba a la derecha) y como un modelo de demostración terminado (abajo). (Fuente: Fraunhofer IPA)

La impresión 3D está ganando cada vez más importancia en la fabricación industrial. No solo permite crear formas muy complejas que con los métodos tradicionales serían difíciles de realizar, sino que también posibilita la producción económica de pequeñas series. Sin embargo, hasta ahora, la integración de componentes electrónicos y, por tanto, la fabricación de sensores personalizados, representaba un desafío. Aquí, el Fraunhofer IPA, junto con las empresas de Baden-Württemberg ARBURG y Balluff, ha logrado un avance.

Para tareas en la automatización industrial, los sensores en forma personalizada son interesantes, ya que pueden ser utilizados de manera versátil. Los sensores de proximidad inductivos están disponibles en carcasas cilíndricas de metal, en las que se integran una bobina, una placa y un conector en una configuración fija, una componente estándar con geometría definida. En la automatización, los sensores de proximidad inductivos se utilizan en grandes cantidades para detectar objetos metálicos sin contacto. Sin embargo, en aplicaciones industriales, no solo pueden detectar la presencia de una pieza, sino también en qué distancia se encuentra. Aún no existen sensores de proximidad inductivos que puedan adaptarse en su forma de carcasa a un entorno específico, como un dedo de un robot manipulador.

Una carcasa con forma arbitraria

¿Por qué no imprimir la carcasa del sensor en plástico para poder fabricarla en cualquier forma? Exactamente eso fue lo que hizo un equipo de investigación del Centro de Producción Aditiva del Instituto Fraunhofer para Tecnología de Producción y Automatización IPA. Para ello, contó con el apoyo de empleados del fabricante de maquinaria para procesamiento de plásticos ARBURG GmbH & Co. KG y del especialista en sensores y automatización Balluff GmbH. Para la carcasa del sensor, se requería un plástico con alta resistencia a la descarga eléctrica y propiedades retardantes de llama. Los expertos eligieron el plástico semi-cristalino polibutilentereftalato (PBT), que se usa habitualmente como material de moldeo por inyección para la fabricación de carcasas electrónicas. Sin embargo, hasta ahora, este tipo de material no se había utilizado en impresión 3D, por lo que fue necesario realizar trabajos pioneros.

Trazo de circuitos en impresión 3D

El plástico se introdujo en forma de gránulos en el «freeformer», el sistema industrial de fabricación aditiva de ARBURG. Este cuenta con un sistema de preparación de material con una husillo plastificador especial. Tras fundir el gránulo estándar, se llevó a cabo la fabricación sin herramientas: un cierre de boquilla controlado por pulsos de alta frecuencia depositaba pequeñas gotas de plástico, que podían ser posicionadas con precisión mediante un portador de piezas móvil. De esta forma, en el freeformer se crearon componentes tridimensionales capa por capa con cavidades en las que se podían insertar otras piezas durante el proceso de impresión. Para facilitar esto, el freeformer interrumpía automáticamente la construcción en cada capa, permitiendo integrar bobinas, placas y conectores con precisión. Posteriormente, en una instalación separada, se podían crear las pistas conductoras de plata en el interior de la carcasa mediante un dispensador. Finalmente, fue necesario cubrir las cavidades con el freeformer y recubrirlas con poliuretano.

El equipo fabricó más de 30 demostradores de sensores personalizados para someterlos a pruebas rigurosas: las piezas debían soportar cambios de temperatura y vibraciones, ser impermeables y superar pruebas de aislamiento eléctrico. Tras optimizar el diseño y el proceso de fabricación, las pruebas se completaron con éxito.

El proyecto de investigación «Integración de funciones electrónicas en componentes fabricados aditivamente» tuvo una duración de un año y medio. Stefan Pfeffer, responsable del proyecto en el Fraunhofer IPA, actualmente investiga en colaboración con ARBURG cómo se podrán utilizar en el futuro plásticos conductores para abrir nuevos campos de aplicación.