Multimaterialdruck Additive Fertigung von Aktoren und Sensoren

Mit AM kann Aktorik und Sensorik unter anderem direkt in Strukturbauteile integriert werden. So können Drohnen in kritischen Situationen während des Flugs überwacht werden. Das Potential für die Verbesserung von mechatronischen Systemen ist aber noch deutlich größer.

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

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MISSION ADDITIVE

Durch die additive Fertigung kann die Anzahl der Komponenten komplexer Baugruppen stark reduziert und Aktoren und Sensoren direkt integriert werden. Um diese Vorteile für mechatronische Systeme zu nutzen, entwickelt das Fraunhofer LBF Funktionskunststoffe, druckbare Sensorik/Aktorik und Methoden zur Strukturüberwachung.

Multimaterialdruck mit Fused Filament Fabrication (FFF)

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 geeignet dafür sind Fused Filament Fabrication (FFF)-Drucker. Sie zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität bei der Wahl der zu verarbeitenden Materialien aus. Mit nur einem Drucker können, dank mehrerer unterschiedlicher Druckköpfe, sowohl Kunststoff-Filamente als auch Pasten gedruckt werden, die zusätzlich unter UV-Licht ausgehärtet werden können. Neben Standardthermoplasten können auch maßgeschneiderte leitfähige Funktionsmaterialien (elektrisch und/oder thermisch) aber auch abschirmende Funktionsmaterialien mit weichmagnetischen Füllstoffen oder auch Formgedächtnispolymere verdruckt werden. Durch die geschickte Kombination aus strukturbildenden Kunststoffen und Funktionskunststoffen, wird eine Integration sensorischer und aktorischer Funktionalitäten direkt möglich.

Integration von Aktoren zur Schwingungsbeeinflussung

Innerhalb des Projekts Open Adaptronik wurde beispielsweise ein Tauchspulenaktor konstruiert und direkt mit dem FFF-Verfahren hergestellt. Der Aktor wurde für die mehraxiale Schwingungsminderung an der Kamera eines Quadrokopters ausgelegt. Neben ABS für den Spulenträger mit integrierter Feder wurde ein ferromagnetischer Funktionskunststoff zur Führung des magnetischen Flusses im Aktorgehäuse eingesetzt. Der notwendige Magnet wurde während des Druckprozesses eingelegt und direkt in das Gehäuse eingedruckt. Die Messungen am fertigen Aktor haben gezeigt, dass mit dem anforderungsgerecht maßgeschneiderten und additiv hergestellten Aktor, vergleichbar große Kräfte erzeugt werden können als mit kommerziell erhältlichen Aktoren gleicher Abmessung. Der verwendete Funktionskunststoff weist zwar eine geringe magnetische Permeabilität auf, durch die optimale und freie Gestaltung des Bauraums, konnte dies in Teilen kompensiert werden.

Integration von Sensoren zur Strukturzustandsüberwachung

Neben den aktorischen Möglichkeiten ist durch die geschickte Kombination unterschiedlicher Materialien auch möglich, sensorische Funktionen in Bauteile zu integrieren. Ziel war exemplarisch die Strukturzustandsüberwachung in autonomen Fluggeräten (Drohnen). Durch den Einsatz geeigneter elektrisch leitfähiger Funktionskunststoffe, konnten prototypisch resistiv wirkende Dehnungsmessstreifen und kapazitiv wirkende Kraft- beziehungsweise Beschleunigungssensoren additiv gefertigt und deren Funktionsweise nachgewiesen werden. Durch die Entwicklung neuer Funktionskunststoffe mit einer weiter gesteigerten elektrischen Leitfähigkeit, soll die Empfindlichkeit der Sensoren in zukünftigen Anwendungen weiter verbessert werden. In Kombination mit der Kenntnis über die prozessabhängigen Bauteileigenschaften können so, in kritischen Bereichen, die auftretenden Lasten überwacht werden.

Großes Potential für additive Fertigung mechatronischer Systeme

Additive Fertigung bietet für mechatronische Systeme somit mehrfachen Nutzen:

• Sensoren können an kritischen Stellen integriert werden, die vorher nicht zugänglich waren, wovon vor allem leichtbauoptimierte Strukturbauteile profitieren.

• Aktoren können in Kraft und Bauraum so individualisiert werden, dass keine überdimensionierten Aktoren verwendet werden müssen. Materialeinsatz und Strombedarf werden so auf das Notwendigste beschränkt.

• Elektrisch leitfähige Funktionskunststoffe ermöglichen es, auf externe Leitungen zur Signalführung und entsprechende Lötarbeiten zur verzichten. So können kompakte, funktionsintegrierte Systeme mit geringem Montageaufwand hergestellt werden.

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