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3D-Drucker integriert Aktoren und Sensoren

3D-Druck: Fraunhofer LBF mit neuem Forschungsansatz
Aktoren und Sensoren gleich mitdrucken

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Funktionen integrieren ist einer der wichtigsten Vorzüge der additiven Fertigung. Wie wäre es, wenn auch Aktoren und Sensoren gleich mitgedruckt werden könnten? Diesen vielversprechenden Ansatz verfolgen Forscher des Fraunhofer LBF und erzielen schon erste Ergebnisse.

Der additiven Fertigung wird nicht zuletzt deswegen eine große Zukunft vorausgesagt, weil sich Bauteile realisieren lassen, die konventionell nicht produziert werden können – oder eben nur mit großem Aufwand. So kann der 3D-Druck die Anzahl der Komponenten in komplexen, individualisierter Baugruppen stark reduzieren und viele Funktionen direkt in ein Bauteil integrieren. 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. Sie könnten elegante Lösungen für so manche viel diskutierten Probleme liefern. Sie könnten etwa Leichtbaustrukturen überwachen oder dort störende Vibrationen mindern.

Die LBF-Wissenschaftler sehen ein großes Potenzial für mechatronische Systeme aufgrund ihrer bisherigen Forschungsergebnisse: „Additive Fertigung bietet hier einen mehrfachen Nutzen“, betont Dr. Torsten Bartel, der die verschiedenen Projekte im Fraunhofer LBF leitete. „Sensoren können an kritischen Stellen integriert werden, die vorher nicht zugänglich waren: Davon können vor allem leichtbauoptimierte Strukturbauteile profitieren.“

Zudem lassen sich Aktoren in Kraft und Bauraum durch den 3D-Druck 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 zu verzichten. „So lassen sich kompakte, funktionsintegrierte Systeme mit geringem Montageaufwand herstellen“, sagt Dr. Bartel.

3D-Drucker für FFF verarbeiten piezoelektrische Pasten

Die additive Herstellung prototypischer mechatronischer Systeme setzt gleich mehrere Materialien voraus, damit auf das Einlegen oder Verkleben zugekaufter Aktorik und Sensorik so weit wie möglich verzichtet werden kann. Besonders eignen sich dafür Fused Filament Fabrication (FFF)-Drucker, teilt das Fraunhofer LBF mit. Sie sind vergleichsweise günstig und sehr flexibel in der Wahl der zu verarbeitenden Materialien. Mit einem speziellen Gerät können Wissenschaftler des Fraunhofer LBF 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 aktuell, so heißt es aus Darmstadt, mit demselben Drucker elektrisch leitfähige oder auch piezoelektrisch wirksame Pasten zu drucken, die unter UV-Licht aushärten. Die Forscher verfolgen das Ziel, eine Vielzahl funktionaler Materialien in der additiven Fertigung zu beherrschen, um vollständig strukturintegrierte Funktionsbauteile umsetzen zu können.

Tauchspulenaktoren mindern
Schwingungen an Quadrokopter-Kamera

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 LBF-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“, so Dr. Bartel. Das Material weise zwar eine geringe magnetische Permeabilität auf, aber der Bauraum könne optimaler gestaltet werden.

Additive Sensoren erfühlen Kräfte

Darüber hinaus untersuchten die LBF-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- beziehungsweise 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.

Förderer und Partner der Forschungsprojekte am LBF waren OpenAdaptronik, www.openadaptronik.de. Gefördert wurden sie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. (os)

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