Faszination Technik Leitfähiger Kunststoff druckt komplette Elektroniksysteme

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie es dank leitfähigem Kunststoff möglich wird, Sensoren und andere elektronische Geräte in einem einzigen Arbeitsgang additiv zu fertigen.

Im Forschungsprojekt „Elektronische Funktionsintegration in additiv gefertigte Bauteile“ ist im Zentrum für Additive Produktion am Fraunhofer-IPA gelungen, induktive Näherungssensoren in beliebiger Form per 3D-Drucker herzustellen. Allerdings musste der Druckprozess im ersten Step des Vorhabens immer wieder unterbrochen werden, um die Leiterbahnen im Gehäuse zu verlegen.

In der zweiten Projektphase hat man deshalb zusammen mit dem Kunststoff-Verarbeitungsmaschinenhersteller Arburg untersucht, welche leitfähigen Polymere teures Silber oder Kupfer ersetzen können. Die Forscher experimentierten dabei mit verschiedenen thermoplastischen Elastomeren (TPE) Leitfähig werden die ja eigentlich isolierenden Polymere, wenn sie etwa eine gewisse Menge an Rußpartikeln enthalten. Außerdem haben die Experten das TPE als Basis gewählt, das von Haus aus einen relativ geringen elektrischen Widerstand hat – denn je kleiner der Widerstand ist, desto leichter fließt der Strom und desto mehr Anwendungsmöglichkeiten gibt es.

Ein thermoplastisches Elastomer im Härtetest der Forschung

Das ausgewählte Material unterzogen die Forscher diversen Materialtests. Sie setzten es etwa Hitze und Kälte aus, um zu prüfen, wie sich der elektrische Widerstand verändert. Sie leiteten Strom mit immer höherer Spannung hindurch, bis die Leiterbahnen durchschmorten. Sie dehnten das TPE, um herauszufinden, wie schnell es wieder in seine ursprüngliche Form zurückfindet und wie sich die Leitfähigkeit unter Zug verändert – sie nimmt allmählich ab. Sie ließen das Material künstlich altern, um zu sehen, wie sich auch das auf die Leitfähigkeit auswirkt. Und sie setzten es auf einem Flachdach ein Jahr lang Wind und Wetter aus, um herauszufinden, wie das TPE in Wirklichkeit verwittert und wie sich seine Eigenschaften währenddessen verändern.

Gegenstand der Forschung war außerdem die Frage, welche Einstellungen am sogenannten Freeformer, dem industriellen additiven Fertigungssystem von Arburg, vorgenommen werden müssen, um den elektrischen Widerstand des Materials zu minimieren und ob die Druckrichtung (horizontal oder vertikal) einen Einfluss auf die Leitfähigkeit der gedruckten Bauteile hat.

Sensoren und Orthesen könnten jetzt 3D-gedruckt werden

Um seinen Zweck erfüllen zu können, muss das leitfähige TPE während des Drucks in einen anderen thermoplastischen Kunststoff mit isolierenden Eigenschaften eingebettet werden. Die Crux dabei ist, dass die beiden Kunststoffe aneinander haften müssen. Im Idealfall lassen sie sich danach nicht mehr trennen, dürfen beim Druckprozess aber nicht verschmieren, betonen die Experten. Denn dann gebe es keine klare Trennung mehr zwischen leitfähigem und isolierendem Material, was zu einem Kurzschluss führen könnte. Beantwortet hat das Forschungsteam außerdem die Frage, wie sich elektronische Bauteile, etwa LEDs, Widerstände oder Mikrocontroller, am besten einbauen und mit der gedruckten TPE-Leiterbahn kontaktieren lassen, was es nun möglich macht, dass Gehäuse und die Elektronik, die es umschließt, in einem einzigen Arbeitsgang additiv gefertigt werden können.

Ein Wermutstropfen bleibt jedoch, denn Leiterbahnen aus rußhaltigem TPE sind zwar günstig in der Herstellung, doch gelötete Leiterbahnen braucht es wegen der insgesamt schlechteren Leitfähigkeit immer noch, merken die Forscher an. Anwendungsmöglichkeiten gebe es dennoch einige: Denkbar seien beispielsweise kapazitive Sensoren wie Touch-Schalter oder Füllstandmesser, aber auch Heizmatten oder Orthesen, die an bestimmten Stellen am Körper Wärme abgeben, um die Heilung zu unterstützen. Man könnte auch die Sauggreifer von Robotern mit Leiterbahnen aus TPE ausstatten und so den Materialverschleiß überwachen. Denn je höher der Widerstand wird, desto abgenutzter ist der Greifer.

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