Multimaterialdruck Additive Fertigung von Aktoren und Sensoren

Von Michael Matthias, Abteilungsleiter Experimentelle Analyse und Elektromechanik, Fraunhofer LBF

Mit AM kann Aktorik und Sensorik unter anderem direkt in Strukturbauteile integriert werden. So können Drohnen in kritischen Situationen während des Flugs überwacht werden. Das Potential für die Verbesserung von mechatronischen Systemen ist aber noch deutlich größer.

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Experimenteller Fused Filament Fabrication (FFF)-Multimaterialdrucker am Fraunhofer LBF mit gedruckten Sensorprototypen aus Funktionskunststoffen.
Experimenteller Fused Filament Fabrication (FFF)-Multimaterialdrucker am Fraunhofer LBF mit gedruckten Sensorprototypen aus Funktionskunststoffen.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Durch die additive Fertigung kann die Anzahl der Komponenten komplexer Baugruppen stark reduziert und Aktoren und Sensoren direkt integriert werden. Um diese Vorteile für mechatronische Systeme zu nutzen, entwickelt das Fraunhofer LBF Funktionskunststoffe, druckbare Sensorik/Aktorik und Methoden zur Strukturüberwachung.

Multimaterialdruck mit Fused Filament Fabrication (FFF)

Für die additive Herstellung prototypischer mechatronischer Systeme sind gleich mehrere Materialien notwendig, um auf das Einlegen oder Verkleben zugekaufter Aktorik und Sensorik soweit wie möglich verzichten zu können. Besonders geeignet dafür sind Fused Filament Fabrication (FFF)-Drucker. Sie zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität bei der Wahl der zu verarbeitenden Materialien aus. Mit nur einem Drucker können, dank mehrerer unterschiedlicher Druckköpfe, sowohl Kunststoff-Filamente als auch Pasten gedruckt werden, die zusätzlich unter UV-Licht ausgehärtet werden können. Neben Standardthermoplasten können auch maßgeschneiderte leitfähige Funktionsmaterialien (elektrisch und/oder thermisch) aber auch abschirmende Funktionsmaterialien mit weichmagnetischen Füllstoffen oder auch Formgedächtnispolymere verdruckt werden. Durch die geschickte Kombination aus strukturbildenden Kunststoffen und Funktionskunststoffen, wird eine Integration sensorischer und aktorischer Funktionalitäten direkt möglich.

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Fachtagung: Additive Fertigung 2021

Unter dem Motto „Innovativ¬ Kunststoffbauteile ¬fertigen“ findet am 10. und 11. Februar 2021 zum vierten Mal die Tagung „Additive Fertigung – fokus: kunststoff“ statt. Die Fertigung innovativer Kunststoffbauteile stehen dabei im Fokus – von neuen Materialien, Verfahren und Prozessen über Best-Practice-Lösungen bis hin zur Simulation und Analytik.

Die Schwerpunktthemen 2021 lauten:

  • Innovationen für Materialien und Technologien
  • Entwicklungen im 3D-Druck während der Corona-Zeit
  • Best-Practice-Lösungen für Konsumgüter, Mobilität und Medizin
  • Konstruktion und Simulation neu gedacht
  • Highlight: Entwicklungen im 3D-Druck während der Corona-Zeit

Freuen Sie sich auf Fachvorträge von Experten aus Industrie und Forschung, u.a. 3D-LABS GmbH, BASF Corp., Fraunhofer IWU und Rösler Oberflächentechnik GmbH. Weitere Informationen zur Veranstaltungen sowie das fertige Vortragsprogramm.

Integration von Aktoren zur Schwingungsbeeinflussung

Mehrteilig additiv gefertigte Tauchspulenaktoren. Messungen haben gezeigt, dass mit dem additiv hergestellten Aktor, vergleichbar große Kräfte erzeugt werden können als mit kommerziell erhältlichen Aktoren gleicher Abmessung.
Mehrteilig additiv gefertigte Tauchspulenaktoren. Messungen haben gezeigt, dass mit dem additiv hergestellten Aktor, vergleichbar große Kräfte erzeugt werden können als mit kommerziell erhältlichen Aktoren gleicher Abmessung.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Innerhalb des Projekts Open Adaptronik wurde beispielsweise ein Tauchspulenaktor konstruiert und direkt mit dem FFF-Verfahren hergestellt. Der Aktor wurde für die mehraxiale Schwingungsminderung an der Kamera eines Quadrokopters ausgelegt. Neben ABS für den Spulenträger mit integrierter Feder wurde ein ferromagnetischer Funktionskunststoff zur Führung des magnetischen Flusses im Aktorgehäuse eingesetzt. Der notwendige Magnet wurde während des Druckprozesses eingelegt und direkt in das Gehäuse eingedruckt. Die Messungen am fertigen Aktor haben gezeigt, dass mit dem anforderungsgerecht maßgeschneiderten und additiv hergestellten Aktor, vergleichbar große Kräfte erzeugt werden können als mit kommerziell erhältlichen Aktoren gleicher Abmessung. Der verwendete Funktionskunststoff weist zwar eine geringe magnetische Permeabilität auf, durch die optimale und freie Gestaltung des Bauraums, konnte dies in Teilen kompensiert werden.

Integration von Sensoren zur Strukturzustandsüberwachung

Diese auf einem Substrat additiv gefertigter Dehnungsmessstreifen dienen der Strukturzustandsüberwachung von Drohnen. So können die auftretenden Lasten in kritischen Bereichen überwacht werden.
Diese auf einem Substrat additiv gefertigter Dehnungsmessstreifen dienen der Strukturzustandsüberwachung von Drohnen. So können die auftretenden Lasten in kritischen Bereichen überwacht werden.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Neben den aktorischen Möglichkeiten ist durch die geschickte Kombination unterschiedlicher Materialien auch möglich, sensorische Funktionen in Bauteile zu integrieren. Ziel war exemplarisch die Strukturzustandsüberwachung in autonomen Fluggeräten (Drohnen). Durch den Einsatz geeigneter elektrisch leitfähiger Funktionskunststoffe, konnten prototypisch resistiv wirkende Dehnungsmessstreifen und kapazitiv wirkende Kraft- beziehungsweise Beschleunigungssensoren additiv gefertigt und deren Funktionsweise nachgewiesen werden. Durch die Entwicklung neuer Funktionskunststoffe mit einer weiter gesteigerten elektrischen Leitfähigkeit, soll die Empfindlichkeit der Sensoren in zukünftigen Anwendungen weiter verbessert werden. In Kombination mit der Kenntnis über die prozessabhängigen Bauteileigenschaften können so, in kritischen Bereichen, die auftretenden Lasten überwacht werden.

Großes Potential für additive Fertigung mechatronischer Systeme

Additive Fertigung bietet für mechatronische Systeme somit mehrfachen Nutzen:

  • Sensoren können an kritischen Stellen integriert werden, die vorher nicht zugänglich waren, wovon vor allem leichtbauoptimierte Strukturbauteile profitieren.
  • Aktoren können in Kraft und Bauraum so individualisiert werden, dass keine überdimensionierten Aktoren verwendet werden müssen. Materialeinsatz und Strombedarf werden so auf das Notwendigste beschränkt.
  • Elektrisch leitfähige Funktionskunststoffe ermöglichen es, auf externe Leitungen zur Signalführung und entsprechende Lötarbeiten zur verzichten. So können kompakte, funktionsintegrierte Systeme mit geringem Montageaufwand hergestellt werden.

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