Kunststoff unter Strom
Additive Fertigung von Sensoren
Bisher war es nicht möglich, Sensoren und andere elektronische Geräte in einem einzigen Arbeitsgang additiv zu fertigen. Genau das ist nun aber einem Forschungsteam vom Fraunhofer IPA gelungen. Eine entscheidende Rolle spielen dabei leitfähige Kunststoffe.
Im Forschungsprojekt „Elektronische Funktionsintegration in additiv gefertigte Bauteile“ ist es Wissenschaftler:innen vom Zentrum für Additive Produktion am Fraunhofer IPA gelungen, mit einem 3D-Drucker induktive Näherungssensoren in beliebiger Form herzustellen. Allerdings musste der Druckprozess immer wieder unterbrochen werden, um die Leiterbahnen im Gehäuse zu verlegen.
In der zweiten Projektphase hat das Forschungsteam um Stefan Pfeffer deshalb zusammen mit dem Kunststoffmaschinenhersteller Arburg untersucht, welche leitfähigen Kunststoffe anstelle von Silber oder Kupfer zum Einsatz kommen könnten. Die Forscher:innen experimentierten zu diesem Zweck mit verschiedenen thermoplastischen Elastomeren (TPE). Das sind flexible Kunststoffe, die sich unter Wärmeeinfluss verarbeiten lassen. Leitfähig sind TPE, wenn sie beispielsweise eine ausreichende Menge an Rußpartikeln enthalten. Zunächst fahndete das Forschungsteam nach demjenigen TPE mit dem geringsten elektrischen Widerstand. Denn je kleiner der Widerstand, desto mehr Anwendungsmöglichkeiten gibt es.
Thermoplastisches Elastomer im Härtetest
Das ausgewählte Material unterzogen Pfeffer und sein Team anschließend einer ganzen Reihe von Materialtests: Sie setzten es Hitze und Kälte aus, um zu prüfen, wie sich der elektrische Widerstand verändert. Sie leiteten Strom mit immer höherer Spannung hindurch, bis die Leiterbahnen durchschmorten. Sie dehnten das TPE, um herauszufinden, bis zu welchem Punkt es in seine ursprüngliche Form zurückfindet und wie die Leitfähigkeit unter Zug allmählich abnimmt. Sie ließen das Material künstlich altern, um zu sehen, wie sich das auf die Leitfähigkeit auswirkt. Und sie setzten es auf einem Flachdach ein Jahr lang Wind und Wetter aus, um herauszufinden, wie das TPE verwittert und wie sich seine Eigenschaften währenddessen verändern.
Gegenstand der Forschung war außerdem die Frage, welche Einstellungen am Freeformer, dem industriellen additiven Fertigungssystem von Arburg, vorgenommen werden müssen, um den elektrischen Widerstand des Materials zu minimieren und ob die Druckrichtung (horizontal oder vertikal) einen Einfluss auf die Leitfähigkeit der gedruckten Bauteile hat.
Sensoren und Orthesen sind mögliche Einsatzfelder
Um seinen Zweck erfüllen zu können, muss das leitfähige TPE während des Drucks in einen anderen thermoplastischen Kunststoff mit isolierenden Eigenschaften eingebettet werden. Die Crux dabei: Die beiden Kunststoffe müssen aneinanderhaften – im Idealfall lassen sie sich danach nicht mehr trennen –, dürfen beim Druckprozess aber nicht verschmieren. Denn in einem solchen Fall gibt es keine klare Trennung mehr zwischen leitfähigem und isolierendem Material. Ein Kurzschluss droht.
Geklärt hat das Forschungsteam um Pfeffer außerdem die Frage, wie sich elektronische Bauteile wie LEDs, Widerstände oder Mikrocontroller am besten einbauen und mit der gedruckten TPE-Leiterbahn kontaktieren lassen. Damit ist es nun möglich, das Gehäuse und die Elektronik, die es umschließt, in einem einzigen Arbeitsgang additiv zu fertigen.
„Leiterbahnen aus rußhaltigem TPE sind zwar kostengünstig in der Herstellung“, sagt Pfeffer, „allerdings werden sie gelötete Leiterbahnen wegen der insgesamt schlechteren Leitfähigkeit nicht ersetzen können.“ Anwendungsmöglichkeiten gebe es dennoch einige. Denkbar seien beispielsweise kapazitive Sensoren wie Touch-Schalter oder Füllstandmesser. Aber auch Heizmatten oder Orthesen, die an bestimmten Stellen am Körper Wärme abgeben, um die Heilung zu unterstützen, seien möglich. „Man könnte auch die Sauggreifer von Robotern mit Leiterbahnen aus TPE ausstatten und so den Materialverschleiß überwachen. Je höher der Widerstand, desto abgenutzter der Greifer.“
Das könnte Sie auch interessieren
Imprägnierung von 3D-Druck-Bauteilen
Dichtol AM Hydro ist eine Universallösung, um Bauteile im 3D-Druck effizient gas- und flüssigkeitsdicht zu machen. Das niedrigviskose Hochleistungs-Polymer sorgt für Versiegelung und Imprägnierung 3D-gedruckter Werkstücke.
mehr...Glamouröses Design aus dem 3D-Drucker
Die Herstellung von Kunststoffteilen werden eher selten mit Begriffen wie Stil, Inspiration oder gar Glamour in Verbindung gebracht. Der erste 3D-gedruckte Schmuck von Boltenstern aus dem Polyamid-12-Mehrzweckmaterial von Evonik kann aber so...
mehr...Formnext Start-up Challenge beginnt wieder
Bereits zum neunten Mal zeichnet die internationale „Formnext Start-up Challenge“ wieder junge Unternehmen aus der Welt der Additiven Fertigung aus. Prämiert werden kreative und tragfähige Geschäftsideen – auch das Thema Nachhaltigkeit spielt eine...
mehr...Alexander Varlahanov wird CTO bei Velo3D
Das Technologieunternehmen Velo3D hat Alexander Varlahanov zum Chief Technology Officer (CTO) ernannt. In seiner neuen Funtion soll er die Verbesserung bestehender Hardware- und Softwareprodukte sowie die Entwicklung neuer Produkte beaufsichtigen.
mehr...Stehtisch aus additiv verarbeiteten Recompounds
Auf der Compounding World Expo Europe im Juni wird KraussMaffei einen Stehtisch zeigen, der mit einem granulatbasierten Großformat-3D-Drucker gedruckt wurde. Clou an der Lösung: Die eingesetzten Rohstoffe basieren auf Recyclingware.
mehr...Neue Erkenntnisse in Feinbearbeitungsprozessen
Forscher des Instituts für Spanende Fertigung an der Technischen Universität Dortmund haben die abrasiven Feinbearbeitungsprozesse Flachschleifen, Rundschleifen, Nassabrasivstrahlen (WAJM) und Mikrofinish von additiv gefertigten Metallbauteilen...
mehr...Oldtimer-Teile durch Reverse Engineering
Neue Mittelkonsole für 50 Jahre alten Ford Cortina
Fehlende Ersatzteile können durch Reverse Engineering nachgebildet werden. Ist ein Musterteil vorhanden, ist Scannen die schnellste Methode, um ein Teil zu duplizieren. Bei dunklen, glänzenden oder transparenten Oberflächen erleichtert das...
mehr...Vorteile von Granulatextrudern für den 3D-Druck
Im neuen Forschungsprojekt „MAddMEx“ am Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KUZ) werden die Potentiale von Granulatextrudern für den 3D-Druck untersucht.
mehr...Die Zukunft der Additiven Fertigung
Die Rapid.Tech 3D hat ihren Ruf als zukunftsweisendes Event der AM-Szene auch in ihrer 19. Auflage bestätigt. Rund 2.700 Gäste aus dem In- und Ausland besuchten vom 9. bis 11. Mai den Fachkongress mit mehr als 70 Expertenvorträgen in neun Branchen-...
mehr...