Forschern aus Deutschland des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (Fraunhofer IPA) ist es im Forschungsprojekt „Elektronische Funktionsintegration in additiv gefertigte Bauteile“ gelungen, Sensoren und andere elektronische Geräte in nur einem einzigen Arbeitsgang mit 3D-Druck herzustellen. Thermoplastische, leitfähige Kunststoffe (TPE) spielten dabei eine wichtige Rolle. Wir stellen das Projekt einmal genauer vor.

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Forschern des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA ist es im Forschungsprojekt „Elektronische Funktionsintegration in additiv gefertigte Bauteile“ gelungen, Sensoren und andere elektronische Geräte in nur einem einzigen Arbeitsgang additiv anzufertigen. Das berichtet das Institut in einer Pressemitteilung, die das 3D-grenzenlos Magazin erreicht hat. Eine wichtige Rolle spielten dabei leitfähige Kunststoffe.

Untersuchung leitfähiger Kunststoffe

Die Forscher verwendeten einen 3D-Drucker, um induktive Näherungssensoren in beliebiger Form herzustellen. Sie mussten den Druckprozess jedoch oft unterbrechen, um die Leiterbahnen im Gehäuse zu verlegen.

Das Team um Stefan Pfeffer hatte in der zweiten Projektphase zusammen mit dem Kunststoffmaschinenhersteller Arburg die Idee, leitfähige Kunststoffe, anstatt Silber oder Kupfer, zu verwenden. Dazu experimentierten sie mit verschiedenen thermoplastischen Elastomeren (TPE). Dabei handelt es sich um flexible Kunststoffe, die sich unter Wärmeeinfluss verarbeiten lassen. Werden zum Beispiel ausreichend Rußpartikel hinzugefügt, ist TPE leitfähig. Sie untersuchten, welches TPE dabei den geringsten elektrischen Widerstand aufweist, denn je kleiner dieser ist, desto mehr Anwendungsmöglichkeiten gibt es.

Härtetest für Material und 3D-gedruckte Objekte

PBT-LED Demo
LED-Demonstrator mit integrierter Leiterplatte, gedruckter TPE-Leiterbahn, kontaktierter LED und isolatorischem PBT-Gehäuse (im Bild: PBT-LED Demo)(Bild © Fraunhofer IPA/ Rainer Bez).

Pfeffer und sein Team führten mit dem ausgewählten Material einige Tests durch, indem sie es zum Beispiel Hitze und Kälte aussetzten, um zu prüfen, wie sich der elektrische Widerstand verändert.

Sie leiteten Strom mit immer höherer Spannung hindurch, bis die Leiterbahnen durchschmorten. Sie dehnten das Material, um zu sehen, 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. Ein Jahr lang setzten sie das Material auf einem Flachdach aus, um herauszufinden, wie das TPE verwittert und wie sich seine Eigenschaften dabei verändern. Sie stellten sich die Frage, welche Einstellungen am industriellen additiven Fertigungssystem „freeformer“ von Arburg nötig wären, um den elektrischen Materialwiderstand zu minimieren und ob die Druckrichtung einen Einfluss auf die Leitfähigkeit der 3D-gedruckten Bauteile hat.

Ziele und Ergebnis

Das Ziel der Forscher war es, leitfähiges TPE zu finden, das während des 3D-Drucks in einen anderen thermoplastischen Kunststoff mit isolierenden Eigenschaften eingebettet werden kann. Beide Kunststoffe mussten aneinanderhaften und sich im besten Fall nicht mehr trennen lassen, dürfen aber gleichzeitig beim Druckprozess nicht verschmieren. Ein Verschmieren ergäbe keine klare Trennung mehr zwischen leitfähigem und isolierendem Material und ein Kurzschluss droht. Die Forscher klärten außerdem die Frage, wie sich elektronische Bauteile wie LEDs, Widerstände oder Mikrocontroller am besten einbauen und mit der gedruckten TPE-Leiterbahn kontaktieren lassen. So können sie nun Gehäuse und die Elektronik, die es umschließt, in einem einzigen Arbeitsgang additiv anfertigen.

Kontaktierungsproben
Die Forscher unterzogen das Material einigen Tests (im Bild: Kontaktierungsproben)(Bild © Fraunhofer IPA/ Stefan Pfeffer).

Pfeffer sagt:

„Leiterbahnen aus rußhaltigem TPE sind zwar kostengünstig in der Herstellung, allerdings werden sie gelötete Leiterbahnen wegen der insgesamt schlechteren Leitfähigkeit nicht ersetzen können. 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.“

Den Forschern zufolge bieten sich Anwendungsmöglichkeiten wie 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, wären denkbar. Bleiben Sie zu allen Entwicklungen informiert. Abonnieren Sie den 3D-grenzenlos Newsletter (hier abonnieren).

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