Na výstavě Formnext 2025 představí Fraunhofer IWU nejnovější generaci nástroje WEAM (Wire Encapsulating Additive Manufacturing). Tato technologie otevírá zcela nové možnosti: Součásti mohou být vyráběny s různými integrovanými elektrickými funkcemi – a to s výrazně lepšími výkony pro senzorické a nosné úkoly než tiskové procesy na bázi pasty, inkoustu a prášku. Klíčem je použití standardních drátů a vodičů, které díky své homogenní slitině a konstantnímu průřezu vodiče zaručují dokonalé elektrické vlastnosti.
Rozhodující výhodou je přesné řízení elektrických vlastností volbou slitiny a průměru vodiče, stejně jako uspořádáním vodivých drah v kombinaci s nekonečným otáčením nástroje. Tímto způsobem lze přímo na existující komponenty aplikovat funkce jako výkonové a datové vedení, integrovanou senzoriku pro blízkost, zatížení, hladiny, teplotu nebo také stínění z hlediska elektromagnetické kompatibility (EMC), nebo je neviditelně integrovat prostřednictvím následných procesů. Na výstavě Formnext představuje Fraunhofer IWU sériově připravenou, do zařízení výrobce CR3D integrovanou WEAM tiskovou hlavu. Tým kolem Lukase Boxbergera demonstruje průmyslový přínos WEAM na čtyřech příkladech.
Příklad radiálního ohřevu pro ochranu RADAR senzorů v automobilech: Maximální svoboda designu, dokonalá funkce, nízká spotřeba materiálu.
Pod pojmem Radom, což je kombinace slov RADAR a Dome (kupole), se rozumí povětrnostně odolný, strukturální ochranný obal, který obklopuje anténu a chrání ji před vnějšími vlivy, přičemž zároveň zůstává propustný pro rádiové vlny. Musí zůstat bez ledu pro spolehlivý provoz radarových a senzorických systémů za extrémních povětrnostních podmínek. Dosavadní řešení se spoléhají na topné fólie nebo dráty zabudované pomocí ultrazvuku, které snášejí pouze mírné deformace a tím pádem neumožňují každé designové provedení. Jako demonstrační komponent přivedl Fraunhofer IWU pro automobilového dodavatele Nissha v procesu WEAM topné vodiče přímo na fólii, která byla následně deformována a integrována do komponentu.
Pro metodu WEAM hovoří to, že drát zůstává přesně na svém místě i po zadním vstřikování – nedochází k žádným ztrátám funkce ani k jevům odlupování (delaminace). Spotřeba materiálu je velmi úsporná, přesto lze zajistit velmi vysoký výkon ohřevu.
Integrované topné dráty v radomech by mohly zajistit energeticky efektivní odmrazování a tím například přispět k vyšším dojezdům u bateriových elektrických vozidel. V automobilech lze takové topné dráty integrovat jako těsně umístěné zdroje tepla do opěrek rukou, bočních prvků nebo zadních stran předních sedadel – tím se výrazně snižuje energetická náročnost ve srovnání s topením interiéru. Kromě automobilového průmyslu by také vojenská vozidla a drony mohly těžit z spolehlivé senzoriky za sněhu, ledu a extrémních teplot. V letadlech by ochrana proti námraze mohla pomoci snížit náklady na údržbu a zároveň zvýšit bezpečnost. V mnoha průmyslových aplikacích by kryty senzorů pro autonomní systémy byly zárukou spolehlivé funkce za nepříznivých podmínek.
Příklad vysoce flexibilních, elastických a 3D tvarovatelných desek
S pomocí WEAM je možné aplikovat složité rozvržení vodičů na 0,1 mm tenký termoplastický polyuretanový film (TPU). Vodiče mohou být zcela nebo částečně plastově potažené – v závislosti na elektrických požadavcích (např. odolnost proti procházení). Pro kontaktování může být plášť odstraněn. Vodiče se mohou křížit a zůstávají elektricky izolované. TPU kombinuje vlastnosti plastu, jako je tvářitelnost a chemická odolnost, s vlastnostmi gumy (elasticita, flexibilita); takto vyrobené desky snášejí velmi vysokou míru trojrozměrného deformování, při kterém běžné flexibilní nebo stretch desky s vodiči na bázi inkoustu, pasty nebo prášku již selhávají.
Kromě toho WEAM nabízí možnost kombinovat různé slitiny a uspořádání na jedné ploše, aby integroval senzoriku, akční prvky a datové/napájecí vedení na úrovni fólie. Polymerní plášť může být přizpůsoben podle elektrických požadavků. Pro dokonalé kontaktování může obal díky své vysoké izolaci chybět. I zde platí: svoboda designu je téměř neomezená. Při použití „TPU tavného lepidla“ může být tištěná deska nebo kabelový svazek přímo „nažehlen“ na různé materiály (textil, netkaná textilie, koberec, dřevo, kov…). Je možné si představit řadu aplikačních oblastí:
- Wearables: Elektronika, která se jako druhá kůže bezproblémově integruje – pro větší pohodlí, méně slabých míst a nové designové možnosti.
- Interiér/Stavba: Tvarově flexibilní systémy podlahového vytápění, elektrické vedení, aplikace Shy-Tech (s co nejméně nápadnou integrací) při komponentně integrované senzorice/aktorce.
- Automobilový průmysl: Vnitřní komponenty s integrovanou elektronikou nebo intramodulovými vedeními; poptávka po kabelových svazcích by mohla klesnout, svoboda designu by se mohla zvýšit při současném snížení hmotnosti. Dále jsou možné další modulární řešení.
- Obrana: Zvažují se senzorové fólie pro detekci zatížení a deformací, integrace aktorů pro odemykací mechanismy, intramodulová spojení, lépe chráněné desky a komplexně tvarované radarové antény.
Příklad: PFAS-free vysokoteplotní flexibilní vodiče
WEAM umožňuje výrobu termoplastických flexibilních vodičů nebo desek, které jsou odolné vůči teplotám až 260 °C (krátkodobě 300 °C). Dosud bylo toto možné pouze s materiálem polyimid (PI), který je potažen fluorovými materiály pro upevnění kovových vodičů. S WEAM tato povrchová úprava odpadá, protože vodič je upevněn stejným materiálem jako fóliové substráty.
Z „Artgleichverbindung“ vyplývají výhody, jako je vynikající mechanická stabilita (vodivost zůstává i při vysokém ohybovém zatížení neporušená), nízká spotřeba materiálu na elektrickou izolaci a v neposlední řadě vysoká recyklovatelnost díky třídění. WEAM lze tedy považovat za udržitelné řešení pro aplikace při vysokých teplotách.
V oblastech automobilového průmyslu a letectví se nabízí použití takových řešení v motorovém prostoru nebo v blízkosti motoru, kde je požadována vysoká tepelná odolnost při nízké hmotnosti. V obranném sektoru by mohla být elektronika navržena jako robustní a odolná v extrémních prostředích. Strojírenství a robotika by mohly profitovat z odolných, ekologických kabelů pro vysoké zatížení stejně jako z jemných systémů podlahového topení.
Příklad dron: Skříň součásti s integrovanými elektrickými funkcemi
Na příkladu pouzdra dronu s integrovanými elektrickými funkcemi ukazuje Fraunhofer IWU, že s WEAM se pouzdro stává tištěným obvodem – nebo tištěný obvod se stává pouzdrem. Funkce jako senzory, akční členy, elektromagnetické stínění nebo indukční nabíjecí cívky mohou být v zájmu optimalizovaného přenosu energie přímo integrovány: Elektromagnetická stínění nejsou v tomto řešení již vázána na pevné velikosti ok a tím pádem vykazují konstantní ochranný účinek i při složitých tvarech.
Funkční pouzdra komponentů přinášejí v nejrůznějších aplikacích jasnou přidanou hodnotu. V elektrických nářadích a outdoorové elektronice musí pouzdra odolávat extrémním zatížením, chránit před pronikající vodou nebo vydržet nárazy. Integrovaná senzorika by mohla být využita pro rozpoznávání uživatelů nebo pro měření zatížení. V oblasti obrany jsou představitelné cenově dostupné, robustní automatizační řešení a místní, na míru přizpůsobená výroba. Spotřebitelské produkty by mohly být navrženy jako obzvlášť kompaktní a nabízet další funkce na omezeném prostoru, přičemž by byly vyráběny za nízké náklady a měly delší životnost.
Kontakt:
