Additive Fertigung Elektrische Funktionen direkt in Bauteile integrieren

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Lenord, Bauer & Co. GmbH

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Mit Wire Encapsulating Additive Manufacturing (WEAM) hat das Fraunhofer IWU ein Verfahren entwickelt, bei dem per 3D-Druck elektrischen Funktionen direkt im Bauteil integriert werden können. Es eignet sich vor allem für sensorische und lasttragende Aufgaben. Der Schlüssel liegt in der Verwendung von Standarddrähten und -litzen, die durch ihre homogene Legierung und den konstanten Leiterquerschnitt perfekte elektrische Eigenschaften garantieren.

Der entscheidende Vorteil beim WEAM-Verfahren liegt in der präzisen Steuerung der elektrischen Eigenschaften durch die Wahl der Legierung und des Leiterdurchmessers sowie des Leiterbahnlayouts in Kombination mit einer Endlosrotation des Werkzeuges. Damit lassen sich Funktionen wie Leistungs- und Datenleitungen, integrierte Sensorik für Näherung, Belastung, Füllstände, Temperatur oder auch Abschirmungen im Sinne der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) direkt auf bestehende Bauteile aufbringen oder durch nachfolgende Prozesse unsichtbar integrieren. Auf der Formnext präsentiert das Fraunhofer IWU einen serienreifen, in die Anlage des Herstellers CR3D integrierten WEAM-Druckkopf. An vier Beispielen demonstriert das Team um Lukas Boxberger den industriellen Nutzen von WEAM.

Beispiel Radomheizung zum Schutz von RADAR-Sensoren in Automobilen

Unter Radom, eine Wortkombination aus RADAR und Dome (Kuppel), versteht man eine wetterfeste, strukturelle Schutzhülle, die eine Antenne umgibt und diese vor äußeren Einflüssen schützt, während sie gleichzeitig für Radiowellen durchlässig bleibt. Sie muss für einen zuverlässigen Betrieb von Radar- und Sensoriksysteme bei extremen Witterungsbedingungen eisfrei bleiben.

Bisherige Lösungen setzen auf Heizfolien oder mittels Ultraschall eingebettete Drähte, welche nur moderate Umformungen vertragen und damit nicht jedes Design ermöglichen. Als Demonstrator-Bauteil hat das Fraunhofer IWU für den Automobil-Zulieferer Nissha im WEAM-Verfahren Heizleiter direkt auf einer Folie aufgebracht. Anschließend wurde diese umgeformt und in das Bauteil integriert. Für das WEAM-Verfahren spricht, dass der Draht selbst nach dem Hinterspritzen exakt an seiner Position bleibt – es treten weder Funktionsverluste noch Ablösungserscheinungen (Delamination) auf. Der Materialverbrauch ist sehr sparsam, dennoch kann eine sehr hohe Heizleistung sichergestellt werden.

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Integrierte Heizdrähte in Radomen könnten für eine energieeffiziente Enteisung sorgen und so beispielsweise in batterieelektrischen Fahrzeugen zu höheren Reichweiten beitragen. In Fahrzeugen lassen sich solche Heizdrähte als körpernahe Wärmespender in Armauflagen, Seitenelemente oder die Rückseiten der Vordersitze integrieren – dies senkt den Energiebedarf gegenüber Innenraumheizungen deutlich. Neben der Automobilbranche könnten auch militärische Fahrzeuge und Drohnen von zuverlässiger Sensorik bei Schnee, Eis und extremen Temperaturen profitieren. In Flugzeugen könnte ein Vereisungsschutz Wartungsaufwände reduzieren helfen und dabei die Sicherheit erhöhen. In vielen industriellen Anwendungen wären Sensorabdeckungen für autonome Systeme ein Garant für zuverlässige Funktion unter widrigen Bedingungen.

Beispiel hochflexible, dehnbare und 3D-formbare Platinen

Mit WEAM ist es möglich, auf einer 0,1 mm dünnen thermoplastischen Polyurethan-Folie (TPU) komplexe Leitungslayouts zu applizieren. Die Leiterbahnen können vollständig oder partiell kunststoffummantelt sein – je nach elektrischer Anforderung (z. B. Durchschlagfestigkeit). Für Kontaktierungen kann der Mantel entfallen. Leitungen dürfen sich kreuzen und bleiben elektrisch isoliert. TPU kombiniert die Eigenschaften von Kunststoff wie Umformbarkeit und chemische Beständigkeit mit denen von Gummi (Elastizität, Flexibilität); derartig hergestellte Platinen vertragen ein sehr hohes Maß an dreidimensionaler Verformung, bei der herkömmliche Flex- bzw. Strech-Platinen mit tinten-, pasten- oder pulverbasierten Leiterbahnen bereits versagen.

Designfreiheit ist nahezu grenzenlos

Außerdem bietet WEAM die Option, unterschiedliche Legierungen und Layouts auf einer Fläche zu kombinieren, um Sensorik, Aktorik und Daten-/Leistungsleitungen auf der Folienebene zu integrieren. Der Polymermantel kann je nach elektrischer Anforderung angepasst werden. Für eine perfekte Kontaktierung darf die Ummantelung aufgrund ihrer hohen Isolation entfallen. Auch hier gilt: Die Designfreiheit ist nahezu grenzenlos. Bei der Verwendung einer „TPU-Schmelzklebefolie“ kann die gedruckte Platine bzw. ein Kabelbaum direkt auf verschiedenste Materialien (Textil, Vlies, Teppich, Holz, Metall…) „aufgebügelt“ werden. Zahlreiche Anwendungsgebiete sind denkbar:

• Wearables: Elektronik, die wie eine zweite Haut nahtlos integrierbar ist – für mehr Komfort, weniger Bruchstellen und neue Designoptionen.

• Interieur/Bau: Formflexible Flächenheizsysteme, Stromleitungen, Shy-Tech-Anwendungen (mit möglichst unauffälliger Einbettung) bei bauteilintegrierter Sensorik/Aktorik.

• Automotive: Innenraumkomponenten mit integrierter Elektronik oder Intramodulleitungen; der Bedarf an Kabelbäumen könnte sinken, die Gestaltungsfreiheit bei gleichzeitig reduziertem Gewicht zunehmen. Außerdem sind zusätzliche modulare Lösungen denkbar.

• Verteidigung: In Frage kommen Sensorfolien für Belastungs- und Verformungserkennung, die Integration von Aktoren für Entriegelungsmechanismen, Intramodulverbindungen, besser geschützte Platinen sowie komplexgeformte Radarantennen.

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Beispiel: PFAS-freie Hochtemperatur-Flexleiter

WEAM ermöglicht die Herstellung thermoplastischer Flexleiter oder Platinen, die bis 260 °C (kurzfristig 300 °C) temperaturbeständig sind. Bislang ist dies nur mit dem Werkstoff Polyimid (PI) erreichbar, der mit fluorhaltigen Materialien beschichtet ist, um metallische Leiter zu fixieren. Mit WEAM entfällt diese Beschichtung, da der Leiter mit demselben Material wie das Foliensubstrat fixiert wird.

Aus der „Artgleichverbindung“ ergeben sich Vorteile wie eine mechanische Stabilität (der Leiter bleibt auch bei hohen Biegebeanspruchungen intakt), geringer Materialverbrauch für die elektrische Isolation und nicht zuletzt eine hohe Recyclingfähigkeit dank Sortenreinheit. WEAM darf also als nachhaltige Lösung für Hochtemperaturanwendungen gelten.

In den Bereichen Automotive und Luftfahrt bietet sich der Einsatz solcher Lösungen im Motorraum oder in Triebwerksnähe an, wo hohe Temperaturfestigkeit bei geringem Gewicht gefragt ist. Im Verteidigungsbereich könnte Elektronik in extremen Umgebungen robust und langlebig ausgelegt werden. Maschinenbau und Robotik könnten von langlebigen, umweltfreundlichen Leitungen für Hochlastbereiche ebenso profitieren wie von filigranen Flächenheizsystemen.

Beispiel Drohne: Bauteilgehäuse mit integrierten elektrischen Funktionen

Am Beispiel eines Drohnengehäuses mit integrierten elektrischen Funktionen zeigt das Fraunhofer IWU, dass mit WEAM das Gehäuse zur Platine wird – oder die Platine zum Gehäuse. Funktionen wie Sensorik, Aktorik, elektromagnetische Abschirmung oder induktive Ladespulen können direkt integriert werden: Elektromagnetische Abschirmungen sind in dieser Lösung nicht mehr an feste Maschenweiten gebunden und entfalten somit eine konstante Schutzwirkung auch bei komplexen Formen.

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