3D打印集成了電子元器件的傳感器

3D打印在工業(yè)制造領(lǐng)域正變得日益重要！它不僅可以制造出采用傳統方法幾乎不可能生產(chǎn)的非常復雜的形狀，還能低成本地實(shí)現小批量的生產(chǎn)。然而，迄今為止，集成電子元器件從而生產(chǎn)出訂制化的傳感器尚面臨挑戰?，F在，德國弗勞恩霍夫IPA與阿博格和Balluff公司合作，在此方面實(shí)現了突破。



訂制傳感器在不同生產(chǎn)階段的演示模型：左上為CAD 概念，右上為集成了電子元器件之后，下部為成品的演示模型件（圖片來(lái)自Fraunhofer IPA）

個(gè)性化的傳感器對于采用自動(dòng)化技術(shù)的生產(chǎn)任務(wù)而言極具吸引力，因為它們可以靈活地適應各種應用。感應接近傳感器是將線(xiàn)圈、電路板和插頭等以固定結構安裝到圓柱形金屬外殼中的一種擁有固定形狀的標準部件。在自動(dòng)化技術(shù)中，感應接近傳感器通常被用于對金屬物體進(jìn)行非接觸式探測。在工業(yè)應用中，它們不僅可以記錄元器件的接近程度, 還可以記錄元器件所處位置的距離。然而，由于其外殼形狀，能夠集成到特定應用環(huán)境中，如機械手臂爪狀手指中的感應接近傳感器，直到目前才被開(kāi)發(fā)出來(lái)。

任何形狀的外殼

于是，問(wèn)題就來(lái)了：為什么不采用塑料來(lái)打印傳感器的外殼以便可以將其制成任何形狀呢？這正是德國弗勞恩霍夫制造工程與自動(dòng)化研究所（簡(jiǎn)稱(chēng)IPA）增材制造中心的一個(gè)研究團隊目前所取得的成果。該團隊得到了來(lái)自塑料加工機械制造商阿博格和專(zhuān)業(yè)的傳感器Balluff 的同伴們的支持。傳感器外殼要求使用一種具有高介電強度和阻燃性能的塑料，為此，專(zhuān)家們選用了半結晶的塑料——聚對苯二甲酸丁二酯（PBT），將它作為標準的注射成型材料用于生產(chǎn)電子元器件的外殼。然而，這類(lèi)材料尚未被用于3D打印，還需要開(kāi)展開(kāi)拓性的研究工作。

在3D打印中生產(chǎn)出導體軌道

他們將粒料形式的塑料送入阿博格的工業(yè)化增材制造系統freeformer中，該機器采用了一種材料制備裝置和一種特殊的塑化螺桿。標準粒子熔融后，即開(kāi)始無(wú)模的自由成型過(guò)程：高頻的噴嘴閉合，釋放出微小的塑料液滴，借助可移動(dòng)的部件載體，即實(shí)現了精確定位。

這樣，freeformer就一層一層地創(chuàng )建出帶有空腔的三維部件。在打印過(guò)程中，還可以嵌入電子元器件。為使之成為可能，當打印到每一個(gè)相應的層時(shí)，freeformer就會(huì )自動(dòng)中斷生產(chǎn)過(guò)程，以便可以非常精確地集成線(xiàn)圈、電路板和插頭。在一個(gè)單獨的工藝中，采用一個(gè)分配器，即可在外殼內制造出銀導體軌道。要完成這一過(guò)程，需要疊層打印這些空腔，然后用聚氨酯澆注。

采用這種方法，該團隊生產(chǎn)出了30多個(gè)訂制傳感器的演示模型，然后進(jìn)行測試：這些部件必須能夠承受溫度的變化和振動(dòng)，它們必須防水，并通過(guò)電絕緣測試。通過(guò)對設計和生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，最終，他們成功地完成了這些測試。

這項“將電功能集成到增材制造的部件中”的研究經(jīng)歷了18個(gè)月的時(shí)間，弗勞恩霍夫IPA的Stefan Pfeffer領(lǐng)導了這項研究。目前，他正與阿博格合作，研究未來(lái)如何也能將導電塑料用于其他的應用領(lǐng)域。