Technologie

Sensoren im 3D-Druck

19.07.2019 - Aktoren und Sensoren lassen sich mit 3D-Druck in komplexe Bauteile integrieren.

Der additiven Fertigung wird eine große Zukunft vorhergesagt. So lassen sich mit Hilfe des 3D-Drucks beispiels­weise die Anzahl der Komponenten komplexer, indivi­dualisierter Baugruppen stark reduzieren und viele Funktionen direkt in ein Bauteil integrieren. Das vereinfacht den Herstellungs­prozess und verringert den notwendigen Bauraum. Um diese Vorteile auch für mecha­tronische Systeme zu nutzen, forschen Wissenschaftler im Fraunhofer-Institut für Betriebs­festigkeit und System­zuverlässigkeit LBF in mehreren Projekten an der additiven Fertigung von inte­grierten Aktoren und Sensoren. Diese können in Leichtbau­strukturen störende oder schädigende Vibrationen mindern sowie Strukturen überwachen.

Aufgrund der Ergebnisse ihrer Forschungs­projekte sehen die Wissen­schaftler großes Potenzial für die additive Fertigung mecha­tronischer Systeme: „Additive Fertigung bietet hierfür einen mehrfachen Nutzen. Sensoren können an kritischen Stellen integriert werden, die vorher nicht zugänglich waren: Davon können vor allem leichtbau­optimierte Struktur­bauteile profitieren“, erläutert Torsten Bartel, der die verschiedenen Projekte leitete. Zudem lassen sich Aktoren in Kraft und Bauraum so indivi­dualisieren, dass keine überdimen­sionierten Aktoren verwendet werden müssen. Das beschränkt den Material­einsatz und den Strombedarf auf das Notwendigste. „Schließlich ermöglichen es elektrisch leitfähige Materialien, auf externe Leitungen zur Signal­führung und entsprechende Lötarbeiten zur verzichten. So lassen sich kompakte, funktions­integrierte Systeme mit geringem Montage­aufwand herstellen“, sagt Bartel.

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 eignen sich dafür Fused Filament Fabrication (FFF)-Drucker. Sie sind vergleichs­weise günstig und sehr flexibel in der Wahl der zu verar­beitenden Materialien. Mit diesem speziellen Gerät können die Wissenschaftler dank mehrerer unter­schiedlicher Druckköpfe in einem Durchgang diverse Kunststoff-Filamente drucken. Neben Standard­thermoplasten wie ABS oder PP kommen auch Funktions­materialien wie beispiels­weise elektrisch leitfähige oder weichmagnetische Materialien sowie Formgedächtnis­polymere zum Einsatz. Entwicklungs­gegenstand ist es aktuell, mit demselben Drucker elektrisch leitfähige oder auch piezoelektrisch wirksame Pasten zu drucken, die unter UV-Licht ausgehärtet werden. Ziel ist es, eine Vielzahl funk­tionaler Materialien in der additiven Fertigung zu beherrschen, um vollständig struktur­integrierte Funktions­bauteile umsetzen zu können.

Innerhalb des Projekts Open Adaptronik kon­struierten die Darmstädter Forscher einen Tauch­spulenaktor, den sie anschließend mit dem FFF-Drucker herstellten. Der Aktor wurde für die mehraxiale Schwingungs­minderung an der Kamera eines Quadro­kopters ausgelegt. Neben ABS für den Spulenträger mit integrierter Feder nutzten die Wissenschaftler ein ferro­magnetisches Filament zur Führung des magnetischen Flusses im Aktorgehäuse. Der notwendige Magnet wurde während des Druck­prozesses eingelegt und in das Gehäuse eingedruckt. „Unsere Messungen am fertigen Aktor haben gezeigt, dass sich mit dem additiv herge­stellten Aktor vergleichbar große Kräfte erzeugen lassen, wie mit kommerziell erhält­lichen Aktoren gleicher Abmessung“, sagt Bartel. Das Material weise zwar eine geringe magnetische Permea­bilität auf, aber der Bauraum könne optimaler gestaltet werden.

Darüber hinaus untersuchten die Wissen­schaftler die Möglichkeit, mit Hilfe der additiven Fertigung sensorische Funktionen in Bauteile zu integrieren. Ziel war es, den Struktur­zustand in autonomen Fluggeräten zu überwachen. Hierfür wurden verschiedene elektrisch leitfähige Kunststoff­filamente untersucht und verglichen. Im Anschluss gelang es den Wissenschaftlern, prototypisch Dehnungs­messstreifen und Kraft- bzw. Beschleunigungs­sensoren im 3D-Druck zu fertigen. Durch neue Materialien mit einer höheren elek­trischen Leit­fähigkeit wollen die Darmstädter Forscher die Empfindlich­keit der Sensoren in zukünftigen Anwendungen weiter verbessern.

Fh.-LBF / JOL

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