Sensoren uit de printer

Demonstrator van de geïndividualiseerde sensor in de verschillende productiestadia: CAD-concept (links boven), na de integratie van de elektronische componenten (rechts boven) en als voltooide demonstrator (onder).

Demonstratiemodel van een op maat gemaakte sensor in verschillende productiestadia: CAD-concept (linksboven), na integratie van de elektronische componenten (rechtsboven) en als een afgewerkt demonstratiemodel (onder). (Bron: Fraunhofer IPA)

3D-printen wint steeds meer aan belang bij industriële productie. Het maakt het niet alleen mogelijk om zeer complexe vormen te vervaardigen die met conventionele methoden nauwelijks te realiseren zouden zijn. Met behulp hiervan kunnen ook kleine oplages economisch worden geproduceerd. Echter, de integratie van elektronische componenten en daarmee ook de productie van geïndividualiseerde sensoren vormde tot nu toe een uitdaging. Hier heeft het Fraunhofer IPA nu samen met de Baden-Württembergse bedrijven ARBURG en Balluff een doorbraak bereikt.

Voor taken in de automatiseringstechniek zijn sensoren in geïndividualiseerde vorm interessant, omdat deze veelzijdig kunnen worden ingezet. Inductieve nabijheidssensoren zijn beschikbaar in cilindrische metalen behuizingen, waarin een spoel, een printplaat en een stekker in een starre opstelling zijn ingebouwd – een standaardcomponent met vaste geometrie. In de automatiseringstechniek worden inductieve nabijheidssensoren in grote aantallen gebruikt om metalen objecten contactloos te detecteren. Ze kunnen in industriële toepassingen echter niet alleen registreren dat een onderdeel is genaderd, maar ook op welke afstand het zich bevindt. Er bestaan echter nog geen inductieve nabijheidssensoren die qua behuizingsvorm in een bepaalde omgeving passen, bijvoorbeeld in een grijper van een robotarm.

Een behuizing met willekeurige vorm

Waarom dus niet de behuizing van de sensor uit kunststof printen, om deze in elke gewenste vorm te kunnen maken? Precis dat heeft een onderzoeksteam van het Centrum voor Additieve Productie aan het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA nu gedaan. Daarbij werd het ondersteund door medewerkers van de machinebouwer voor kunststofverwerking ARBURG GmbH & Co. KG en de sensor- en automatiseringsspecialist Balluff GmbH. Voor de behuizing van de sensor werd een kunststof met hoge doorslagvastheid en brandwerende eigenschappen geëist. De specialisten kozen voor de halfkristallijne kunststof polybutyleenterephthalaat (PBT), dat standaard wordt gebruikt als spuitgietmateriaal voor de productie van elektronische behuizingen. Echter, zo'n materiaaltype was tot nu toe niet gebruikt voor 3D-printen, waardoor pionierswerk nodig was.

Leiterbanen in 3D-print

Het kunststof kwam als granulaat in de zogenaamde »freeformer«, het industriële additieve fabricagesysteem van ARBURG. Dit beschikte over een materiaalvoorbereiding met een speciale plastificeerscrew. Na het smelten van het standaardgranulaat volgde het vrije vormen zonder gereedschap: een hoogfrequent getakt spuitmondje bracht kleine kunststofdruppels uit, die met behulp van een beweegbare onderdelendrager precies konden worden gepositioneerd. Op deze manier ontstonden in de freeformer laag voor laag driedimensionale onderdelen met holtes, waarin tijdens het printproces onderdelen konden worden ingebracht. Om dit mogelijk te maken, onderbrak de freeformer het bouwproces automatisch in de betreffende lagen, zodat het mogelijk was om spoel, printplaat en stekker nauwkeurig te integreren. Met een dispenser konden vervolgens in een aparte installatie de geleidersbanen van zilver binnenin de behuizing worden aangebracht. Tot slot was het nodig om de holtes met de freeformer te overprinten en te gieten met polyurethaan.

Het team produceerde op deze wijze meer dan 30 demonstratoren van de geïndividualiseerde sensoren, om ze vervolgens grondig te testen: de onderdelen moesten bijvoorbeeld temperatuurwisselingen en vibraties doorstaan, waterdicht zijn en een elektrische isolatietest doorstaan. Door optimalisatie van ontwerp en productieproces werden de tests uiteindelijk succesvol afgerond.

Het onderzoeksproject »Elektronische functiënering in additief vervaardigde onderdelen« had een looptijd van anderhalf jaar. Stefan Pfeffer, die het project bij het Fraunhofer IPA leidde, onderzoekt momenteel in samenwerking met ARBURG hoe in de toekomst ook geleidende kunststoffen kunnen worden ingezet om verdere toepassingsgebieden te erschliessen.