Das Fraunhofer IPA hat in dem Forschungsprojekt „Elektronische Funktionsintegration in additiv gefertigte Bauteile“ den 3D-Druck eines individuellen Sensorgehäuses für induktive Näherungssensoren in der Automatisierungstechnik untersucht. Dabei setzte es auf den teilkristallinen Kunststoff Polybutylenterephthalat (PBT), der bisher noch nicht für den 3D-Druck eingesetzt wurde. Das Material wurde mit dem additiven Fertigungssystem „freeformer“ von ARBURG aufbereitet.

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Individuell geformte Sensoren lassen sich vielseitig in der Automatisierungstechnik einsetzen. Induktive Näherungssensoren befinden sich in zylindrischen Metallgehäusen, in die eine Spule, eine Platine und ein Stecker in einer starren Konstellation eingebaut werden. Mit ihnen werden metallische Objekte berührungslos erkannt. Auch die Entfernung zum Bauteil kann mit den induktiven Näherungssensoren registriert werden.

Elektronische Funktionsintegration in additiv gefertigte Bauteile

In einem eineinhalb Jahre andauernden Forschungsprojekt „Elektronische Funktionsintegration in additiv gefertigte Bauteile“ hat ein Team des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA sich überlegt, das Gehäuse des Sensors aus Kunststoff zu drucken und in beliebiger Form herzustellen. Laut einer Pressemitteilung, die das 3D-grenzenlos Magazin erreicht hat, sind am Projekt der Anlagenhersteller für Kunststoffverarbeitung ARBURG GmbH & Co. KG sowie der Sensor- und Automatisierungsspezialisten Balluff GmbH beteiligt.

Die Forscher benötigten einen Kunststoff mit hoher Durchschlagfestigkeit und flammhemmenden Eigenschaften für das Sensorgehäuse und wählten den teilkristallinen Kunststoff Polybutylenterephthalat (PBT). PBT wird standardmäßig als Spritzgusswerkstoff für die Herstellung von Elektronikgehäusen und bisher noch nicht für den 3D-Druck eingesetzt.

Arbeit mit dem „freeformer“

Das industrielle additive Fertigungssystem „freeformer“ von ARBURG kann Material mit einer speziellen Plastifizierschnecke aufbereiten. Die Forscher schmolzen den Kunststoff als Granulat im freeformer auf. Es folgte das werkzeuglose Freiformen. Dabei trug ein hochfrequent getakteter Düsenverschluss kleinste Kunststofftropfen aus, die mit einem beweglichen Bauteilträger exakt positioniert werden konnten. Schicht für Schicht entstanden dreidimensionale Bauteile mit Kavitäten, in die während des Druckprozesses Bauteile eingelegt werden konnten.

Dazu unterbrach der freeformer den Bauprozess automatisch in den jeweiligen Schichten, um Spule, Platine und Stecker passgenau integrieren zu können. Anschließend konnten in einer separaten Anlage mit einem Dispenser die Leiterbahnen aus Silber im Gehäuseinneren erzeugt werden. Die Kavitäten wurden mit dem freeformer überdruckt und mit Polyurethan vergossen.

CAD-Konzept und zwei Bilder des Demonstrators
Demonstrator des individualisierten Sensors in den unterschiedlichen Fertigungsstufen: CAD-Konzept (oben links), nach der Integration der elektronischen Komponenten (oben rechts) und als fertiger Demonstrator (unten)(Bild © Fraunhofer IPA).

Tests erfolgreich

Die Forscher konnten so mehr als 30 Demonstratoren individualisierter Sensoren herstellen und sie genauestens testen. Die einzelnen Bauteile mussten Temperaturwechsel und Vibrationen verkraften, wasserdicht sein und einen elektrischen Isolationstest bestehen.

Der Projektverantwortliche Stefan Pfeffer forscht zusammen mit ARBURG nun auch am Einsatz leitfähiger Kunststoffe. Alle Neuheiten zu diesem und ähnlichen Themen bietet unsere Themenseite „3D-Druck am Fraunhofer“ und regelmäßig neu der 3D-grenzenlos Magazin-Newsletter (hier abonnieren).

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