Fraunhofer IPA, Arburg e Balluff usam Freeformer para impressão 3D de invólucros de sensores em PBT

Modelo de demonstração do sensor customizado em diferentes estágios de produção: conceito em CAD (canto superior esquerdo), após integração dos componentes eletrônicos (canto superior direito) e modelo de demonstração final acabado (figura inferior)

A impressão 3D está se tornando cada vez mais importante na fabricação industrial. Ele não apenas torna possível produzir formas muito complexas que, de outra maneira, seriam virtualmente impossíveis de serem geradas com processos convencionais, mas também permite que lotes de pequenas quantidades sejam produzidas em uma base econômica. Porém, até o momento, a integração de componentes eletrônicos e, consequentemente, a produção de sensores customizados tem apresentado um desafio. Agora, junto com as empresas Arburg e Balluff, a Fraunhofer IPA alcançou um avanço.

Sensores individualizados são interessantes para tarefas em tecnologia de automação, pois podem ser usados ​​de forma flexível para uma variedade de aplicações. Sensores de proximidade indutivos estão disponíveis em invólucros cilíndricos de metal, nos quais uma bobina, uma placa de circuito e um plugue são instalados em uma configuração fixa – um componente padrão com uma geometria fixa. Na tecnologia de automação, os sensores de proximidade indutivos são usados ​​em grande volume para a detecção de objetos de metal sem contato. Em aplicações industriais, eles podem não apenas registrar a proximidade de um componente, mas também indicar a que distância ele está localizado. No entanto, devido ao formato dos invólucros, sensores de proximidade indutivos para integração em ambientes específicos – dedos de garras de braços robóticos, por exemplo – ainda não haviam sido desenvolvidos até agora.

Invólucros de qualquer formato

Surgiu então a questão: por que não imprimir a caixa do sensor em plástico, de modo que ele possa ser fabricado em qualquer formato? Isso é exatamente o que uma equipe de pesquisa do Centro de Manufatura Aditiva do Instituto Fraunhofer para Engenharia de Manufatura e Automação IPA conseguiu agora. A equipe foi apoiada por colegas da fabricante de máquinas de processamento de plástico Arburg GmbH & Co. KG e a especialista em sensores e automação Balluff GmbH. Um plástico com alta rigidez dielétrica e propriedades retardantes de chamas foi necessário para fabricar o invólucro do sensor. Os especialistas optaram pelo tereftalato de polibutileno (PBT), plástico semicristalino que é usado como material padrão em moldagem por injeção para a produção de invólucros de componentes eletrônicos. Porém, este tipo de material ainda não havia sido utilizado para impressão 3D, necessitando de trabalhos de caráter pioneiro.

Trilhas de condutor em impressão 3D

O plástico foi alimentado na forma de pellets em um “Freeformer”, o sistema de manufatura aditiva industrial da Arburg, que usa uma unidade de preparação de material com uma rosca especial de plastificação. Depois de fundir os pellets, o processo do Freeformer, que não usa moldes, se segue: um bico de alta frequência descarrega minúsculas gotículas de plástico, que podem ser precisamente posicionadas com o auxílio de um porta-peça móvel.

Desta forma, o Freeformer criou, camada por camada, componentes tridimensionais com cavidades nas quais os componentes podem ser inseridos durante o processo de impressão. Para que isso fosse possível, o Freeformer interrompeu automaticamente o processo em cada camada respectiva, de forma que a bobina, a placa de circuito e o plugue pudessem ser integrados com muita precisão. Em um processo separado, um “dispensador” foi então usado para produzir as trilhas condutoras de prata dentro do invólucro. Para completar o processo, tudo o que foi necessário foi terminar a impressão das cavidades e, em seguida, revesti-las em poliuretano.

A equipe produziu mais de 30 modelos de demonstração de sensores customizados dessa maneira e depois os colocou à prova: os componentes deveriam ser capazes de suportar mudanças de temperatura e vibrações, deveriam ser à prova d’água e passar por um teste de isolamento elétrico. Pela otimização do design e processo de fabricação, no final os testes foram concluídos com sucesso.

O projeto de pesquisa “Integração de funções eletrônicas em componentes fabricados aditivamente” durou dezoito meses. Stefan Pfeffer, que liderou o projeto na Fraunhofer IPA, está atualmente trabalhando com a Arburg em pesquisas sobre como os plásticos condutores também podem ser usados ​​no futuro para explorar áreas de aplicação adicionais.

Com quase 1000 funcionários, o Instituto Fraunhofer de Engenharia de Manufatura e Automação IPA, Fraunhofer IPA, é um dos maiores institutos na Fraunhofer-Gesellschaft. O orçamento total ultrapassa 74 milhões de euros. O foco da pesquisa do instituto está nos aspectos organizacionais e tecnológicos da produção. O IPA desenvolve, testa e implementa não apenas componentes, dispositivos e métodos, mas também máquinas e fábricas inteiras. Com 15 departamentos coordenados por meio de seis unidades de negócios, o IPA realiza um trabalho interdisciplinar com
as seguintes indústrias: automotiva, indústria de máquinas e equipamentos, eletrônica e microssistemas, energia, engenharia médica e biotecnologia, bem como indústria de processo. As atividades de pesquisa da Fraunhofer IPA visam a produção econômica de produtos sustentáveis ​​e personalizados.

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