Aditivní výroba snímačů přiblížení

Aditivní výroba neboli 3D tisk proniká i do výroby součástí a zařízení pro průmysl. Uplatní se hlavně při zhotovování velmi složitých tvarů, které nelze vyrobit konven­čními postupy, nebo ve výrobě malých sérií produktů.

Velmi lákavé je produkovat 3D tiskem také snímače s vestavěnou elektronikou. Od 3D tisku snímačů však až dosud odrazovala problematická integrace elektroniky. Průlom zaznamenal Fraunhoferův ústav IPA (Institut für Produktionstechnik und Automatisierung), který dokončil výzkumný projekt ve spolupráci s výrobcem strojů na zpracování plastů ARBURG a výrobcem snímačů Balluff. Tato trojice firem se zaměřila na 3D tisk indukčních snímačů přiblížení používaných k bezkontaktní detekci kovových předmětů či k určování jejich vzdálenosti.

Indukční snímače jsou standardně dodávány ve válcových kovových pouzdrech, do nichž je vestavěna cívka, deska s obvody a konektor. Právě válcový tvar pouzdra znemožňuje používat indukční snímače ve specifických úlohách, třeba na prstech robotických ramen. Proto vyvstala otázka: Proč nezhotovit pouzdro z plastu 3D tiskem a přizpůsobit tak jeho tvar dané úloze? A přesně toho se podařilo dosáhnout ve výzkumném projektu Integrace elektronických funkcí v aditivně vyráběných součástech.

Pouzdro snímače je nutné vyrobit z plastu s vysokou dielektrickou pevností a vlastnostmi zpomalujícími hoření. Experti se rozhodli pro polybutylentereftalát (PBT), což je semikrystalický termoplast ze skupiny polymerů na bázi polyesteru. Výzkumný tým zvolil průkopnické řešení, protože tento materiál ještě nikdy nebyl použit pro 3D tisk.

Pro výrobu pouzdra snímače bylo použito zařízení pro 3D tisk společnosti Auburg s názvem freeformer. V tomto přístroji je plast dávkován ve formě granulátu, který se taví pomocí plastifikačního šroubu a pak je tryskou vypouštěn ve tvaru drobných kapiček, které přesně umísťuje na základnu na pohyblivém nosiči. Postup 3D tisku s použitím zařízení freeformer ukazuje videozáznam: https://www.youtube.com/watch?v=IeKQluYDFKo.

Tímto způsobem je nanášena vrstva po vrstvě a vytištěno pouzdro snímače s příslušnými dutinami. Elektronické komponenty jsou do dutin vkládány během 3D tisku tak, že freeformer automaticky přeruší tisk v přesně dané vrstvě a do vytvořených dutin se vloží cívka, deska s obvody i konektor. V samostatném procesu se pak uvnitř pouzdra zhotoví stříbrné dráhy vodičů. K dokončení procesu se jen dotisknou dutiny a poté se zalijí polyuretanem. Tak bylo vyrobeno více než 30 demonstračních modelů snímačů, které byly podrobeny zkouškám. Součásti musely odolat změnám teploty a vibracím, musely být vodotěsné a projít testem elektrické izolace. Konstruk­ční návrh i výrobní postup byly dále optimalizovány, až se podařilo vyrobit snímače, které zkouškám vyhověly.

Na tomto výzkumném projektu odborníci pracovali několik měsíců. Dalším krokem je prozkoumat možnosti, jak v budoucnu vy­užít také vodivé plasty k 3D tisku součástí pro různé oblasti použití.

(ev)

[Tiskové materiály Fraunhofer IPA]

Obr. 1. Plastifikační šroub v přístroji freeformer pro přípravu plastu k nanášení

Obr. 2. Demonstrační model snímače vyrobeného 3D tiskem v různých fázích výroby