Czujniki z drukarki

Demonstrator indywidualizowanego czujnika na różnych etapach produkcji: koncepcja CAD (w lewym górnym rogu), po integracji komponentów elektronicznych (w prawym górnym rogu) oraz jako gotowy demonstrator (na dole).

Model demonstracyjny niestandardowego czujnika na różnych etapach produkcji: koncepcja CAD (góra po lewej), po integracji komponentów elektronicznych (góra po prawej) oraz jako gotowy model demonstracyjny (dół). (Źródło: Fraunhofer IPA)

Druk 3D zyskuje coraz większe znaczenie w produkcji przemysłowej. Nie tylko umożliwia wytwarzanie bardzo skomplikowanych kształtów, które trudno byłoby zrealizować tradycyjnymi metodami. Przy jego pomocy można również opłacalnie produkować małe serie. Jednak dotychczas integracja komponentów elektronicznych, a tym samym produkcja spersonalizowanych sensorów, stanowiła wyzwanie. Właśnie tutaj Fraunhofer IPA we współpracy z firmami z Badenii-Wirtembergii ARBURG i Balluff osiągnęły przełom.

Do zadań w automatyce przemysłowej interesujące są sensory w formie spersonalizowanej, ponieważ mogą być wykorzystywane na wiele sposobów. Indukcyjne czujniki zbliżeniowe dostępne są w cylindrycznych metalowych obudowach, w które wbudowana jest cewka, płytka drukowana i wtyczka w stałej konfiguracji – jest to standardowa komponenta o ustalonym kształcie. W automatyce przemysłowej indukcyjne czujniki zbliżeniowe są używane w dużej liczbie sztuk do bezkontaktowego wykrywania obiektów metalowych. Jednakże w zastosowaniach przemysłowych mogą nie tylko wykrywać obecność elementu, ale także określać odległość, na jakiej się znajduje. Nie istnieją jeszcze indukcyjne czujniki zbliżeniowe, które można by dopasować do określonego otoczenia, na przykład do chwytaka robota.

Obudowa dowolnego kształtu

Dlaczego więc nie wydrukować obudowy czujnika z tworzywa sztucznego, aby można ją było wykonać w dowolnym kształcie? Dokładnie to zrobił zespół badawczy z Centrum Produkcji Addytywnej w Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA. W tym celu wspierali ich pracownicy firmy ARBURG GmbH & Co. KG, producenta maszyn do przetwórstwa tworzyw sztucznych, oraz specjalisty od sensorów i automatyki Balluff GmbH. Do obudowy czujnika wymagano tworzywa o wysokiej odporności na przebicie i właściwościach przeciwpożarowych. Fachowcy wybrali półkrystaliczny plastik polibutylentereftalan (PBT), który jest standardowo stosowany jako materiał wtryskowy do produkcji obudów elektronicznych. Jednak do tej pory taki rodzaj materiału nie był wykorzystywany w druku 3D, co wymagało pracy pionierskiej.

Ścieżki na potrzeby druku 3D

Tworzywo sztuczne w postaci granulatu trafiło do tak zwanego „freeformer”, przemysłowego systemu addytywnego od ARBURG. System ten posiadał urządzenie do przygotowania materiału z specjalną ślimaczką plastifikacyjną. Po stopieniu standardowego granulatu nastąpił beznarzędziowy proces formowania: wysokoczęstotliwościowy zamknięcie dyszy dozującej podawało najmniejsze krople tworzywa sztucznego, które za pomocą ruchomego przenośnika elementów można było precyzyjnie ustawiać. W ten sposób w freeformerze powstawały warstwa po warstwie trójwymiarowe elementy z pustymi przestrzeniami, w które podczas procesu drukowania można było wkładać elementy. Aby to umożliwić, freeformer automatycznie przerywał budowę warstw, co pozwalało na precyzyjne osadzenie cewki, płytki drukowanej i wtyczki. Następnie, w osobnej maszynie, przy użyciu dozownika, na wewnętrznej stronie obudowy można było wytworzyć ścieżki z srebra. Ostatecznie konieczne było nałożyć na kavitki warstwę z freeformera i zalać je poliuretanem.

Zespół w ten sposób wyprodukował ponad 30 demonstratorów spersonalizowanych sensorów, które następnie poddano szczegółowym testom: musiały wytrzymać zmiany temperatury i wibracje, być wodoodporne i przejść test izolacji elektrycznej. Dzięki optymalizacji projektu i procesu produkcyjnego testy zakończyły się sukcesem.

Projekt badawczy „Elektroniczna integracja funkcji w elementach wytwarzanych metodą addytywną” trwał półtora roku. Stefan Pfeffer, który kierował tym projektem w Fraunhofer IPA, obecnie we współpracy z ARBURG bada, jak w przyszłości można będzie wykorzystywać przewodzące tworzywa sztuczne, aby otworzyć nowe obszary zastosowań.