Capteurs du imprimante

Démo du capteur individualisé dans les différentes étapes de fabrication : concept CAO (en haut à gauche), après l'intégration des composants électroniques (en haut à droite) et en tant que démonstrateur fini (en bas).

Modèle de démonstration du capteur personnalisé à différentes étapes de production : concept CAO (en haut à gauche), après l'intégration des composants électroniques (en haut à droite) et en tant que modèle de démonstration fini (en bas). (Source : Fraunhofer IPA)

L'impression 3D gagne de plus en plus d'importance dans la fabrication industrielle. Elle permet non seulement de réaliser des formes très complexes, difficiles à concrétiser avec des procédés traditionnels, mais aussi de produire économiquement de petites séries. Cependant, l'intégration de composants électroniques et la fabrication de capteurs individualisés ont jusqu'à présent représenté un défi. C'est maintenant chose faite grâce à une avancée réalisée par le Fraunhofer IPA en collaboration avec les entreprises badoises ARBURG et Balluff.

Pour les tâches en automatisation, les capteurs sous forme individualisée sont intéressants car ils peuvent être utilisés de manière polyvalente. Les capteurs inductifs de proximité sont disponibles dans des boîtiers métalliques cylindriques, dans lesquels sont intégrés une bobine, une carte et une fiche dans une configuration rigide – un composant standard avec une géométrie fixe. En automatisation, ces capteurs inductifs de proximité sont utilisés en grande quantité pour détecter sans contact des objets métalliques. Cependant, ils ne se limitent pas à simplement détecter la présence d'une pièce ; ils peuvent également indiquer à quelle distance elle se trouve. Il n'existe toutefois pas encore de capteurs inductifs de proximité dont la forme du boîtier puisse s'adapter à un environnement spécifique, comme par exemple dans un doigt de préhenseur de robot.

Un boîtier de forme arbitraire

Pourquoi ne pas imprimer le boîtier du capteur en plastique, afin de pouvoir le fabriquer dans n'importe quelle forme ? C'est précisément ce qu'une équipe de recherche du Centre pour la production additive du Fraunhofer IPA a réalisé. Elle a été soutenue par des employés du fabricant d'équipements pour la transformation des plastiques, ARBURG GmbH & Co. KG, ainsi que par le spécialiste des capteurs et de l'automatisation, Balluff GmbH. Pour le boîtier du capteur, un plastique à haute résistance à la décharge électrique et aux propriétés ignifuges était requis. Les experts ont choisi le plastique semi-cristallin Polybutylène Téréphtalate (PBT), qui est couramment utilisé comme matériau de moulage par injection pour la fabrication de boîtiers électroniques. Cependant, ce type de matériau n'avait jusqu'à présent pas été utilisé pour l'impression 3D, ce qui a nécessité un travail pionnier.

Traces conductrices en impression 3D

Le plastique a été introduit sous forme de granulés dans le « freeformer », le système de fabrication additive industrielle d'ARBURG. Celui-ci dispose d'une unité de préparation du matériau avec une vis de plastification spéciale. Après la fusion du granulé standard, l'impression sans outil commence : une buse à impulsion haute fréquence dépose de minuscules gouttes de plastique, qui peuvent être positionnées avec précision à l'aide d'un porte-composant mobile. De cette manière, le freeformer construit couche par couche des pièces tridimensionnelles avec des cavités dans lesquelles des composants peuvent être insérés pendant le processus d'impression. Pour permettre cela, le freeformer interrompait automatiquement la construction à chaque couche, permettant ainsi d'intégrer précisément la bobine, la carte et la fiche. Ensuite, une station séparée utilisait un distributeur pour déposer des traces en argent à l'intérieur du boîtier. Enfin, il était nécessaire de recouvrir les cavités avec l'impression 3D et de les couler avec du polyuréthane.

Grâce à cette méthode, l'équipe a fabriqué plus de 30 démonstrateurs de capteurs individualisés, qu'ils ont ensuite soumis à des tests approfondis : les pièces devaient résister aux variations de température et aux vibrations, être étanches et passer un test d'isolation électrique. Après optimisation du design et du processus de fabrication, les tests ont finalement été couronnés de succès.

Le projet de recherche « Intégration des fonctions électroniques dans des pièces fabriquées par additive » a duré un an et demi. Stefan Pfeffer, responsable du projet au Fraunhofer IPA, travaille actuellement en collaboration avec ARBURG sur l'utilisation future de plastiques conducteurs pour explorer de nouveaux champs d'application.