Nyomtatóból származó érzékelők

Bemutató az egyéni érzékelőről a különböző gyártási szinteken: CAD-koncept (felső bal), az elektronikus alkatrészek integrálása után (felső jobb) és kész demonstrátor formájában (lent).

Egyedi érzékelő demonstrációs modell különböző gyártási szakaszokban: CAD koncepció (felső bal), az elektronikus alkatrészek integrálása után (felső jobb) és kész demonstrációs modellként (alsó). (Forrás: Fraunhofer IPA)

A 3D nyomtatás egyre fontosabb szerepet tölt be az ipari gyártásban. Nemcsak lehetővé teszi nagyon összetett formák előállítását, amelyeket hagyományos módszerekkel alig lehetne megvalósítani, hanem kis sorozatok gazdaságosan is gyárthatók vele. Azonban az elektronikus komponensek integrálása, és így az egyedi szenzorok gyártása eddig kihívást jelentett. Most a Fraunhofer IPA, az ARBURG és a Balluff baden-württembergi vállalatok közösen értek el áttörést.

A vezérléstechnikai feladatokhoz az egyedileg kialakított szenzorok érdekesek, mivel sokféle alkalmazásban használhatók. Az induktív közelítésérzékelők hengeres fémburkolatban elérhetők, amelybe egy tekercs, egy nyomtatott áramkör és egy csatlakozó van beépítve – ez egy szabványos alkatrész, rögzített geometriai kialakítással. A vezérléstechnikában az induktív közelítésérzékelőket nagy mennyiségben használják, hogy érintés nélkül felismerjék a fémtárgyakat. Az ipari alkalmazásokban azonban nemcsak azt lehet észlelni, hogy egy alkatrész megközelített, hanem azt is, hogy milyen távolságban van. Még nem léteznek olyan induktív közelítésérzékelők, amelyek burkolatuk formájával alkalmazkodni tudnak egy adott környezethez, például egy robotkar fogóujjához.

Burkolat bármilyen formában

Miért ne nyomtatnánk ki a szenzor burkolatát műanyagból, hogy bármilyen formában gyártható legyen? Ezt a kérdést tette fel egy kutatócsoport a Fraunhofer Gyártástechnikai és Automatizálási Központban (IPA). Segítségüket a műanyagfeldolgozás gépgyártója, az ARBURG GmbH & Co. KG, valamint a szenzor- és automatizálástechnikai szakértő Balluff GmbH munkatársai nyújtották. A szenzor burkolatához magas szilárdságú és gyulladásgátló tulajdonságokkal rendelkező műanyagot kértek. A szakemberek a polibutilén-tereftalát (PBT) nevű részben kristályos műanyagot választották, amelyet általában elektronikai burkolatok gyártásához használnak fröccsöntő anyagként. Ez a típusú anyag azonban eddig nem került felhasználásra 3D nyomtatásban, így úttörő munkára volt szükség.

Nyomtatott vezetékek 3D-ben

A műanyagot granulátum formájában az ARBURG ipari additív gyártási rendszerébe, a „freeformer”-be töltötték. Ez az ARBURG speciális műanyag-feldolgozó szerszám nélküli formázó rendszere. A granulátum megolvasztása után a szerszám nélküli formázás következett: egy magas frekvencián pulzáló fúvóka zárás apró műanyag cseppeket juttatott ki, amelyek segítségével egy mozgó alkatrészszállító pontosan pozícionálható volt. Így a freeformer rétegenként háromdimenziós alkatrészeket hozott létre, amelyekben üregek voltak, és ezekbe a nyomtatási folyamat során alkatrészeket lehetett behelyezni. Ennek lehetővé tétele érdekében a freeformer automatikusan megszakította az építési folyamatot az adott rétegekben, így pontosan be lehetett illeszteni a tekercset, a nyomtatott áramkört és a csatlakozót. Egy különálló berendezés segítségével ezután ezeken a helyeken ezüst vezetékeket lehetett kialakítani a burkolat belsejében. Végül a üregeket a freeformerrel fel kellett fedni, és poliuretánnal beönteni.

A csapat így több mint 30 egyedi szenzordemonstrátort készített, amelyeket ezután alaposan teszteltek: a részegységeknek ellenállniuk kellett például hőmérséklet-változásoknak és vibrációnak, vízállónak kellett lenniük, és megfelelniük az elektromos szigetelési teszteknek. A tervezés és gyártási folyamat optimalizálásával végül sikeresen teljesítették a teszteket.

A „Elektronikus funkcióintegráció additív gyártású alkatrészekben” című kutatási projekt másfél évig tartott. Stefan Pfeffer, aki a projektért felelős a Fraunhofer IPA-n, jelenleg az ARBURG-gal együttműködve kutat azon, hogyan lehet a jövőben vezetőképes műanyagokat is felhasználni, hogy további alkalmazási területeket nyissanak meg.