Sensoren in individualisierter Form sind für Aufgaben in der Automatisierungstechnik interessant, weil sie flexibel für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden können. Induktive Näherungssensoren verwenden ein zylindrisches Metallgehäuse, in dem Spulen, Platinen und Stecker in einer festen Konfiguration eingebaut sind – Standardbauteile mit fester Geometrie.

In der Automatisierungstechnik werden induktive Näherungssensoren häufig zur berührungslosen Detektion von metallischen Objekten eingesetzt. In industriellen Anwendungen können sie nicht nur die Nähe eines Bauteils erfassen, sondern auch die Entfernung, in der es sich befindet.

Aufgrund der Gehäuseform wurden induktive Näherungssensoren zur Integration in bestimmte Umgebungen, wie beispielsweise Roboterarmgreifer, jedoch bisher nicht entwickelt.

Schale in beliebiger Form

Da stellt sich die Frage: Warum nicht das Sensorgehäuse in Kunststoff drucken, damit es in jede beliebige Form gebracht werden kann? Das ist einem Forschungsteam im Additive Production Center des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA jetzt gelungen. Unterstützt wird das Team von den Kollegen des Kunststoffmaschinenherstellers ARBURG GmbH & Co. KG und dem Sensor- und Automatisierungsspezialisten Balluff GmbH.

Das Sensorgehäuse erfordert Kunststoff mit hoher Spannungsfestigkeit und flammwidrigen Eigenschaften. Die Experten wählten den teilkristallinen Kunststoff Polybutylenterephthalat (PBT), der als Standard-Spritzgussmaterial für Elektronikgehäuse verwendet wird. Für den 3D-Druck wurde diese Art von Material jedoch noch nicht verwendet, sodass bahnbrechende Arbeiten erforderlich sind.

Demonstrationsmodelle von kundenspezifischen Sensoren in verschiedenen Produktionsstadien: CAD-Konzept (oben links), integrierte elektronische Komponenten (oben rechts) und fertiges Demonstrationsmodell (unten). (Foto: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung)

Leiterbahnen im 3D-Druck

Der Kunststoff wird dem „freeformer“ in Granulatform zugeführt, der industriellen additiven Fertigungsanlage von ARBURG, die eine Materialaufbereitung mit spezieller Plastifizierschnecke nutzt. Nach dem Aufschmelzen der Standardpartikel läuft der Freiformprozess ohne Werkzeug wie folgt ab: Die Hochfrequenzdüse wird geschlossen, um winzige Kunststofftröpfchen freizusetzen, die mit Hilfe des beweglichen Teileträgers exakt positioniert werden können.

Auf diese Weise erstellt freeformer schichtweise 3D-Bauteile mit Kavitäten, die während des Druckprozesses eingefügt werden können. Um dies zu erreichen, unterbricht freeformer automatisch den Fluss jeder Lage, so dass Spulen, Platinen und Stecker sehr genau integriert werden können. In einem separaten Prozess werden dann mit einem Verteiler Silberleiterbahnen im Inneren des Gehäuses erzeugt. Um diesen Vorgang abzuschließen, müssen lediglich die Kavitäten überdruckt und anschließend in das Polyurethan eingebracht werden.

Mehr als 30 Vorführmodelle kundenspezifischer Sensoren fertigte das Team auf diese Weise an und folgte anschließend ihren Testschritten: Die Komponenten müssen Temperaturwechsel und Vibrationen standhalten, wasserdicht sein und elektrische Isolationstests bestehen. Durch die Optimierung des Konstruktions- und Herstellungsprozesses wurde der Test schließlich erfolgreich abgeschlossen.

Das Forschungsprojekt zur Integration elektronischer Funktionen in additive Fertigungskomponenten dauerte 18 Monate. Stefan Pfeffer, der das Projekt am Fraunhofer IPA leitet, untersucht derzeit gemeinsam mit ARBURG, wie sich mit leitfähigen Kunststoffen in Zukunft weitere Anwendungen erschließen lassen.

Link zu diesem Artikel: Neue Forschung verwendet 3D-gedrucktes Sensorgehäuse aus Kunststoff

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