23/07/2021
Door Ad Spijkers
Fraunhofer-IPA, Arburg en Balluff ontwikkelden een techniek om 3D geprinte naderingssensoren te maken.
3D-printen wordt steeds belangrijker in de industriële productie. Het maakt het niet alleen mogelijk complexe vormen te produceren die met conventionele procédés bijna onmogelijk te realiseren zouden zijn. Met 3D-printen kunnen ook kleine partijen op economische wijze worden geproduceerd.
De integratie van elektronische componenten en daarmee de productie van geïndividualiseerde sensoren was tot nu toe een uitdaging. Het Fraunhofer-Institut für Produktionsautomatisierung (IPA), Arburg en Balluff hebben een doorbraak bereikt.
Geïndividualiseerde sensoren zijn interessant voor taken in de automatiseringstechniek. Zo worden grote aantallen inductieve naderingssensoren gebruikt om contactloos metalen voorwerpen te detecteren. In industriële toepassingen kunnen ze bovendien registreren op welke afstand deze zich bevinden. Maar er zijn nog geen inductieve naderingssensoren die met hun behuizingsvorm in een specifieke omgeving passen, bijvoorbeeld in een grijpvinger van een robotarm.
Sensoren uit de printer
Waarom dan niet de behuizing van de sensor printen uit kunststof, zodat hij in elke vorm kan worden gefabriceerd? Dit is precies wat het onderzoeksteam van de drie partners hebben gedaan. Voor de sensorbehuizing was een kunststof met hoge diëlektrische sterkte en vlamvertragende eigenschappen vereist. De deskundigen kozen voor de semi-kristallijne kunststof polybutyleentereftalaat (PBT), dat wordt gebruikt als spuitgietmateriaal voor de productie van elektronicabehuizingen. Een dergelijk type materiaal is tot dusver echter nog niet gebruikt voor 3D-printen, zodat pionierswerk nodig was.
De kunststof werd als granulaat ingevoerd in de zogenaamde 'freeformer', het industriële additieve fabricagesysteem van Arburg dat over een materiaalvoorbereidingseenheid met een speciale plastificeerschroef beschikt. Na het smelten van het standaardgranulaat volgde het gereedschapsloze free forming proces. Een met hoge frequentie bewegende spuitklep spuit minuscule kunststofdruppeltjes uit, die met behulp van een beweegbare componentdrager nauwkeurig konden worden gepositioneerd. Op deze wijze worden laag voor laag driedimensionale componenten met holtes gecreëerd, waarin tijdens het drukproces componenten kunnen worden gestoken.
Om dit mogelijk te maken, onderbreekt de freeformer automatisch het bouwproces in de respectievelijke lagen, zodat het mogelijk is de spoel, de printplaat en de connector nauwkeurig te integreren. Vervolgens wordt een dispenser gebruikt om de zilveren geleidersporen in de behuizing aan te brengen in een afzonderlijk systeem. Tenslotte moesten de holten worden overgedekt met de freeformer en afgegoten met polyurethaan.
Testen en vooruitkijken
Het team heeft meer dan dertig demonstratiemodellen van geïndividualiseerde sensoren geproduceerd om ze vervolgens te testen. De componenten moesten bijvoorbeeld bestand zijn tegen temperatuurschommelingen en trillingen, zij moesten waterdicht zijn en een elektrische isolatietest doorstaan. Door het ontwerp en het fabricageproces te optimaliseren, werden de tests uiteindelijk met succes doorstaan.
Momenteel onderzoeken Fraunhofer-IPA en Arburg hoe geleidende kunststoffen in de toekomst kunnen worden gebruikt om nog meer toepassingsgebieden te ontsluiten.
Foto: Fraunhofer-IPA