Für Aufgaben in der Automatisierungstechnik sind Sensoren in individualisierter Form interessant, da diese vielseitig eingesetzt werden können. In großer Anzahl verfügbar und genutzt sind induktive Näherungssensoren in zylindrischen Metallgehäusen, in die eine Spule, eine Platine und ein Stecker in einer starren Konstellation eingebaut werden – eine Standard-Komponente mit festgelegter Geometrie. Allerdings gibt es bis dato keine induktiven Näherungssensoren, die sich mit ihrer Gehäuseform in eine bestimmte Umgebung einpassen, etwa in einen Roboterarmgreiferfinger. Dies soll sich durch die Zusammenarbeit eines Forschungsteams vom Zentrum für additive Produktion am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA mit Arburg, einem Anlagenhersteller für die Kunststoffverarbeitung, und dem Sensor- und Automatisierungsanbieter Balluff, nun ändern.

Die Grundüberlegung war, das Gehäuse eines Sensors aus Kunststoff zu drucken, um es in beliebiger Form herstellen zu können. Für dieses Gehäuse war ein Kunststoff mit hoher Durchschlagfestigkeit und flammhemmenden Eigenschaften gefordert. Die Fachleute wählten den teilkristallinen Kunststoff Polybutylenterephthalat (PBT), der standardmäßig als Spritzgusswerkstoff für die Herstellung von Elektronikgehäusen eingesetzt wird. Allerdings wurde eine solche Materialtype bislang nicht für den 3D-Druck verwendet.

Der Kunststoff kam als Granulat in den sogenannten ‚freeformer‘, das industrielle additive Fertigungssystem von Arburg. Dieser verfügt über eine Materialaufbereitung mit spezieller Plastifizierschnecke. Nach dem Aufschmelzen des Standard-Granulats folgte das werkzeuglose Freiformen: Ein hochfrequent getakteter Düsenverschluss trug kleinste Kunststofftropfen aus, die mit Hilfe eines beweglichen Bauteilträgers exakt positioniert werden konnten. Auf diese Weise entstanden im freeformer Schicht für Schicht dreidimensionale Bauteile mit Kavitäten, in die während des Druckprozesses Bauteile eingelegt werden konnten. Um dies zu ermöglichen, unterbrach der freeformer den Bauprozess automatisch in den jeweiligen Schichten, sodass es möglich war Spule, Platine und Stecker passgenau zu integrieren. Mit einem Dispenser konnten im Anschluss, in einer separaten Anlage, die Leiterbahnen aus Silber im Inneren des Gehäuses erzeugt werden. Schlussendlich war es notwendig, die Kavitäten mit dem freeformer zu überdrucken und mit Polyurethan zu vergießen.

Das Team stellte auf diese Weise mehr als 30 Demonstratoren der individualisierten Sensoren her, um sie anschließend ausgiebig zu testen: Die Bauteile mussten beispielsweise Temperaturwechsel und Vibrationen verkraften, mussten wasserdicht sein und einen elektrischen Isolationstest bestehen. Durch Optimierung von Design und Herstellungsprozess wurden die Tests am Ende erfolgreich absolviert.

Das Forschungsprojekt ‚Elektronische Funktionsintegration in additiv gefertigte Bauteile‘ hatte eine Laufzeit von anderthalb Jahren. Stefan Pfeffer, der das Projekt am Fraunhofer IPA verantwortete, forscht derzeit in Kooperation mit Arburg daran, wie zukünftig auch leitfähige Kunststoffe eingesetzt werden können, um weitere Anwendungsfelder zu erschließen.