Sensori dalla stampante

Dimostratore del sensore personalizzato nelle diverse fasi di produzione: concetto CAD (in alto a sinistra), dopo l'integrazione dei componenti elettronici (in alto a destra) e come dimostratore completo (in basso).

Modello di dimostrazione di sensore personalizzato in diverse fasi di produzione: concetto CAD (in alto a sinistra), dopo l'integrazione dei componenti elettronici (in alto a destra) e come modello di dimostrazione finito (in basso). (Fonte: Fraunhofer IPA)

La stampa 3D sta acquisendo sempre più importanza nella produzione industriale. Non solo permette di realizzare forme molto complesse che con i metodi tradizionali sarebbero difficili da realizzare, ma consente anche di produrre economicamente piccole serie. Tuttavia, l'integrazione di componenti elettronici e quindi anche la produzione di sensori personalizzati è stata finora una sfida. Ora, il Fraunhofer IPA, in collaborazione con le aziende del Baden-Württemberg ARBURG e Balluff, ha ottenuto un progresso.

Per compiti nell'automazione industriale, i sensori in forma personalizzata sono interessanti perché possono essere utilizzati in modo versatile. I sensori di prossimità induttivi sono disponibili in involucri cilindrici in metallo, in cui sono integrati una bobina, una scheda e un connettore in una configurazione rigida – un componente standard con geometria fissa. Nell'automazione, i sensori di prossimità induttivi vengono impiegati in grandi quantità per riconoscere oggetti metallici senza contatto. Tuttavia, nelle applicazioni industriali, non solo possono rilevare che un componente si è avvicinato, ma anche a quale distanza si trovi. Tuttavia, finora non esistono sensori di prossimità induttivi che si adattino alla forma del loro involucro a un determinato ambiente, ad esempio in un dito di un gripper di un robot.

Un involucro di forma qualsiasi

Perché quindi non stampare l'involucro del sensore in plastica, per poterlo realizzare in qualsiasi forma? Esattamente questo ha fatto un team di ricerca del Centro per la produzione additiva presso l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione e automazione IPA. È stato supportato da dipendenti del produttore di impianti per la lavorazione della plastica ARBURG GmbH & Co. KG e del specialista di sensori e automazione Balluff GmbH. Per l'involucro del sensore, era richiesta una plastica con elevata resistenza alla scarica e proprietà ignifughe. Gli esperti hanno scelto il polibutilentereftalato (PBT), una plastica semicristallina, comunemente usata come materiale di stampaggio a iniezione per la produzione di involucri elettronici. Tuttavia, finora, questo tipo di materiale non era stato utilizzato per la stampa 3D, rendendo necessaria una vera e propria innovazione pionieristica.

Tracciati di circuiti nella stampa 3D

Il materiale plastico è stato inserito come granuli nel cosiddetto «freeformer», il sistema di produzione additiva industriale di ARBURG. Questo disponeva di un sistema di preparazione del materiale con una vite di plastificazione speciale. Dopo la fusione del granulato standard, sono seguiti i processi di formatura senza attrezzi: una valvola di ugello a commutazione ad alta frequenza ha trasportato minuscole gocce di plastica, che potevano essere posizionate con precisione grazie a un supporto mobile del pezzo. In questo modo, nel freeformer sono stati creati strato dopo strato componenti tridimensionali con cavità, in cui durante il processo di stampa potevano essere inseriti altri pezzi. Per consentire ciò, il freeformer interrompeva automaticamente il processo di costruzione in ogni strato, permettendo di integrare con precisione la bobina, la scheda e il connettore. Successivamente, in un impianto separato, è stato possibile creare i tracciati di circuiti in argento all’interno dell’involucro tramite un dispenser. Infine, era necessario sovrapporre le cavità con il freeformer e rivestirle con poliuretano.

In questo modo, il team ha prodotto più di 30 demonstratori di sensori personalizzati, per poi testarli approfonditamente: i componenti dovevano resistere a variazioni di temperatura e vibrazioni, essere impermeabili e superare un test di isolamento elettrico. Attraverso l’ottimizzazione del design e del processo di produzione, i test sono stati superati con successo alla fine.

Il progetto di ricerca «Integrazione di funzioni elettroniche in componenti prodotti con stampa additiva» ha avuto una durata di un anno e mezzo. Stefan Pfeffer, che ha guidato il progetto presso il Fraunhofer IPA, sta attualmente collaborando con ARBURG per esplorare come possano essere utilizzati in futuro anche polimeri conduttivi, per aprire ulteriori campi di applicazione.