Alla Formnext 2025, il Fraunhofer IWU presenterà la nuova generazione dello strumento WEAM (Wire Encapsulating Additive Manufacturing). Questa tecnologia apre a possibilità completamente nuove: i componenti possono essere realizzati con molteplici funzioni elettriche integrate - e con prestazioni significativamente migliori per compiti sensoriali e di carico rispetto ai processi di stampa basati su paste, inchiostri e polveri. La chiave sta nell'uso di fili e trefoli standard, che grazie alla loro lega omogenea e al costante diametro del conduttore garantiscono proprietà elettriche perfette.
Il vantaggio decisivo risiede nel controllo preciso delle proprietà elettriche attraverso la scelta della lega e del diametro del conduttore, nonché del layout delle piste conduttrici, in combinazione con una rotazione continua dello strumento. In questo modo, è possibile applicare funzioni come linee di alimentazione e dati, sensoristica integrata per prossimità, carico, livelli, temperatura o schermature in termini di compatibilità elettromagnetica (EMC) direttamente su componenti esistenti o integrarli in modo invisibile attraverso processi successivi. Alla Formnext, il Fraunhofer IWU presenta un ugello di stampa WEAM pronto per la produzione, integrato nell'impianto del produttore CR3D. Il team guidato da Lukas Boxberger dimostra l'utilità industriale del WEAM attraverso quattro esempi.
Esempio di riscaldamento a radome per la protezione dei sensori RADAR nelle automobili: massima libertà di design, perfetta funzionalità, ridotto utilizzo di materiale.
Sotto Radom, una combinazione di parole tra RADAR e Dome (cupola), si intende un involucro protettivo strutturale resistente alle intemperie che circonda un'antenna e la protegge da influenze esterne, rimanendo al contempo permeabile alle onde radio. Deve rimanere privo di ghiaccio per garantire un funzionamento affidabile dei sistemi radar e di sensoristica in condizioni meteorologiche estreme. Le soluzioni attuali si basano su pellicole riscaldanti o su fili incorporati mediante ultrasuoni, che tollerano solo deformazioni moderate e quindi non consentono ogni tipo di design. Come componente dimostrativo, il Fraunhofer IWU ha applicato conduttori riscaldanti direttamente su una pellicola per il fornitore automobilistico Nissha utilizzando il processo WEAM, che è stata successivamente deformata e integrata nel componente.
Il vantaggio del processo WEAM è che il filo rimane esattamente nella sua posizione anche dopo l'iniezione posteriore - non si verificano né perdite di funzionalità né fenomeni di distacco (delaminazione). Il consumo di materiale è molto contenuto, tuttavia è possibile garantire una potenza termica molto elevata.
I fili riscaldanti integrati nei radomi potrebbero garantire uno sbrinamento energeticamente efficiente e contribuire, ad esempio, a un'autonomia maggiore nei veicoli elettrici a batteria. In questi veicoli, tali fili riscaldanti possono essere integrati come fonti di calore a contatto con il corpo nei braccioli, negli elementi laterali o nei retro dei sedili anteriori, riducendo così significativamente il fabbisogno energetico rispetto ai riscaldamenti dell'abitacolo. Oltre all'industria automobilistica, anche i veicoli militari e i droni potrebbero beneficiare di sensori affidabili in condizioni di neve, ghiaccio e temperature estreme. Negli aerei, una protezione contro il ghiaccio potrebbe contribuire a ridurre i costi di manutenzione e aumentare la sicurezza. In molte applicazioni industriali, le coperture dei sensori per sistemi autonomi sarebbero una garanzia di funzionamento affidabile in condizioni avverse.
Esempio di circuiti stampati altamente flessibili, estensibili e formabili in 3D.
Con WEAM è possibile applicare layout di circuiti complessi su una pellicola termoplastica in poliuretano (TPU) spessa 0,1 mm. Le tracce possono essere completamente o parzialmente rivestite di plastica, a seconda delle esigenze elettriche (ad esempio, resistenza alla perforazione). Per le connessioni, il rivestimento può essere omesso. I cavi possono incrociarsi e rimanere elettricamente isolati. Il TPU combina le proprietà della plastica, come la deformabilità e la resistenza chimica, con quelle della gomma (elasticità, flessibilità); i circuiti stampati realizzati in questo modo tollerano un alto grado di deformazione tridimensionale, mentre i circuiti flessibili o stretch convenzionali con tracce a base di inchiostro, pasta o polvere già falliscono.
Inoltre, WEAM offre l'opzione di combinare diverse leghe e layout su un'area per integrare sensoristica, attuatori e linee dati/energia a livello di pellicola. Il rivestimento in polimero può essere adattato a seconda delle esigenze elettriche. Per una perfetta contattabilità, il rivestimento può essere omesso grazie alla sua elevata isolamento. Anche in questo caso, la libertà di design è quasi illimitata. Utilizzando un "film adesivo termoplastico TPU", la scheda stampata o un cablaggio possono essere "stirati" direttamente su vari materiali (tessuto, non tessuto, tappeto, legno, metallo…). Sono concepibili numerosi ambiti di applicazione:
- Wearable: Elettronica che si integra senza soluzione di continuità come una seconda pelle - per maggiore comfort, meno punti di rottura e nuove opzioni di design.
- Interni/Costruzione: Sistemi di riscaldamento a superficie flessibili, linee elettriche, applicazioni Shy-Tech (con integrazione il più discreta possibile) in presenza di sensoristica/attuatoristica integrata nei componenti.
- Automotive: Componenti per l'abitacolo con elettronica integrata o linee intramodulari; la domanda di cablaggi potrebbe diminuire, mentre la libertà di design potrebbe aumentare con un peso ridotto. Inoltre, sono concepibili soluzioni modulari aggiuntive.
- Difesa: Sono in considerazione pellicole sensoriali per il rilevamento di carichi e deformazioni, l'integrazione di attuatori per meccanismi di sblocco, connessioni intramodulo, circuiti stampati meglio protetti e antenne radar complesse.
Esempio: Cavi flessibili ad alta temperatura privi di PFAS
WEAM consente la produzione di conduttori flessibili o schede in materiale termoplastico che resistono a temperature fino a 260 °C (fino a 300 °C a breve termine). Finora ciò era possibile solo con il materiale poliammide (PI), che è rivestito con materiali contenenti fluoro per fissare i conduttori metallici. Con WEAM, questo rivestimento non è più necessario, poiché il conduttore è fissato con lo stesso materiale del substrato in pellicola.
Dalla "connessione a forma equivalente" derivano vantaggi come un'eccellente stabilità meccanica (il conduttore rimane integro anche sotto elevate sollecitazioni di flessione), un ridotto consumo di materiale per l'isolamento elettrico e, non da ultimo, un'elevata riciclabilità grazie alla purezza dei materiali. Pertanto, il WEAM può essere considerato una soluzione sostenibile per applicazioni ad alta temperatura.
Nei settori automotive e aerospaziale, l'uso di tali soluzioni è indicato nel vano motore o nelle vicinanze dei motori, dove è richiesta un'alta resistenza alle temperature e un basso peso. Nel settore della difesa, l'elettronica potrebbe essere progettata per essere robusta e durevole in ambienti estremi. L'ingegneria meccanica e la robotica potrebbero beneficiare di condutture durevoli e ecologiche per aree ad alta capacità, così come di sistemi di riscaldamento superficiale delicati.
Esempio di drone: involucro del componente con funzioni elettriche integrate
A esempio di un involucro per droni con funzioni elettriche integrate, il Fraunhofer IWU dimostra che con WEAM l'involucro diventa la scheda di circuito – o la scheda di circuito diventa l'involucro. Funzioni come sensoristica, attuatori, schermature elettromagnetiche o bobine di carica induttiva possono essere integrate direttamente nell'ottica di un'ottimizzazione della trasmissione dell'energia: le schermature elettromagnetiche in questa soluzione non sono più vincolate a maglie fisse e quindi offrono un'efficace protezione costante anche in forme complesse.
I contenitori funzionali per componenti offrono un chiaro valore aggiunto in una vasta gamma di applicazioni. Negli utensili elettrici e nell'elettronica per esterni, i contenitori devono resistere a carichi estremi, proteggere dall'acqua che penetra o resistere a urti. I sensori integrati potrebbero essere utilizzati per il riconoscimento degli utenti o per determinare il carico. Nel settore della difesa, sono immaginabili soluzioni di automazione robuste e a basso costo e una produzione locale su richiesta. I prodotti di consumo potrebbero essere progettati in modo particolarmente compatto e offrire funzioni aggiuntive in uno spazio ridotto, essere prodotti a costi contenuti e avere una durata maggiore.
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