17/07/2019
Door Ad Spijkers
Om de voordelen van additive manufacturing voor mechatronische systemen te benutten, onderzoekt het Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Darmstadt het 3D-printen van geïntegreerde actuatoren en sensoren.
Met additive manufacturing kan bijvoorbeeld het aantal componenten van complexe samenstellingen sterk worden gereduceerd. Ook kunnen meer functies direct in een component worden geïntegreerd. Zo kunnen sensoren en actuatoren storende of schadelijke trillingen in lichte constructies verminderen en structuren controleren.
Gezien de resultaten van hun onderzoeksprojecten verwachten de wetenschappers van Fraunhofer LBF een groot potentieel voor additive manufacturing van mechatronische systemen: Zo kunnen sensoren worden geïntegreerd op punten die voorheen ontoegankelijk waren. Vooral lichtgewicht componenten kunnen hiervan profiteren.
Ook kunnen actuatoren op maat worden ingebouwd, zodat geen overgedimensioneerde aandrijvingen hoeven te worden gebruikt. Elektrisch geleidende materialen maken externe bekabeling voor signaaloverdracht en de daarbij bijbehorende connectiewerkzaamheden overbodig. Op deze manier kunnen compacte geïntegreerde systemen met minimale montage-inspanning worden geproduceerd.
Meerdere materialen
Voor de additieve productie van prototypen van mechatronische systemen zijn vaak meerdere materialen nodig. Printers voor gesmolten filamentproductie (FFF) blijken hiervoor heel geschikt. Ze zijn relatief goedkoop en flexibel in de keuze van de te verwerken materialen. Dankzij verschillende printkoppen kunnen de wetenschappers verschillende kunststofdraden in één proces printen. Behalve standaard thermoplasten zoals ABS of PP werden ook functionele materialen gebruikt, zoals elektrisch geleidende of magnetische materialen en vormgeheugenpolymeren.
Experimentele Fused Filament Fabrication Multimateriaalprinter aan het Fraunhofer LBF met geprinte sensorprototypen.
Het volgende doel is om elektrisch geleidende of piëzo-elektrische pasta's te printen die onder UV-licht op dezelfde printer worden uitgehard. Het uiteindelijke doel is om een groot aantal functionele materialen in additive manufacturing te beheersen om volledig gestructureerde functionele componenten te kunnen implementeren.
Actuatoren verminderen trillingen
In het kader van het Open Adaptronics project ontwierpen de onderzoekers een zuigerspoelactuator (foto boven), die ze met de FFF-printer produceerden. De actuator is ontworpen voor multi-axiale trillingsreductie op de camera van een quadrocopter. Behalve ABS voor de spoelendrager met geïntegreerde veer hebben de wetenschappers een ferromagnetische gloeidraad gebruikt om de magnetische flux in de actuatorbehuizing te geleiden. De benodigde magneet werd tijdens het drukproces ingebracht en in de behuizing gedrukt.
Metingen hebben aangetoond dat de additief geproduceerde actuator krachten kan genereren die vergelijkbaar zijn met die krachten van in de handel verkrijgbare actuatoren van dezelfde grootte. Het gebruikte materiaal heeft een lage magnetische doorlaatbaarheid, maar de installatieruimte kan worden geoptimaliseerd.
Sensoren voor conditiebewaking
Daarnaast hebben de wetenschappers onderzoek gedaan om sensorische functies te integreren in componenten. Het doel was om de structurele conditie van autonome vliegtuigen te monitoren. Hiervoor werden verschillende elektrisch geleidende kunststofdraden onderzocht en vergeleken. De wetenschappers zijn er in via 3D printen geslaagd om prototypen van rekstrookjes en kracht- en versnellingssensoren te produceren. Door het gebruik van nieuwe materialen met een hogere elektrische geleidbaarheid willen de onderzoekers van Darmstadt de gevoeligheid van de sensoren in toekomstige toepassingen verder verbeteren.
Foto's: Fraunhofer LBF, Ursula Raapke