Na targach Formnext 2025 Fraunhofer IWU zaprezentuje najnowszą generację narzędzia WEAM (Wire Encapsulating Additive Manufacturing). Ta technologia otwiera zupełnie nowe możliwości: elementy mogą być produkowane z różnorodnymi zintegrowanymi funkcjami elektrycznymi – i to z wyraźnie lepszą wydajnością w zadaniach sensorycznych i nośnych niż metody druku oparte na pastach, tuszach i proszkach. Kluczem jest użycie standardowych drutów i przewodów, które dzięki swojej jednorodnej stopie i stałym przekroju przewodnika gwarantują doskonałe właściwości elektryczne.
Decydującą zaletą jest precyzyjna kontrola właściwości elektrycznych poprzez wybór stopu, średnicy przewodnika oraz układu ścieżek przewodzących w połączeniu z ciągłym obrotem narzędzia. Dzięki temu można bezpośrednio nanosić funkcje takie jak linie zasilające i danych, zintegrowaną sensorikę do pomiaru odległości, obciążenia, poziomów, temperatury czy też osłony w kontekście kompatybilności elektromagnetycznej (EMV) na istniejące komponenty lub niewidocznie integrować je w kolejnych procesach. Na targach Formnext instytut Fraunhofer IWU zaprezentuje gotową do seryjnej produkcji głowicę drukarską WEAM, zintegrowaną z urządzeniem producenta CR3D. Zespół pod kierownictwem Lukasa Boxbergera demonstruje przemysłowe korzyści płynące z WEAM na czterech przykładach.
Przykład ogrzewania radialnego w celu ochrony czujników RADAR w samochodach: maksymalna swoboda projektowania, doskonała funkcja, niski zużycie materiału.
Pod pojęciem Radom, będącym kombinacją słów RADAR i Dome (kopuła), rozumie się odporną na warunki atmosferyczne, strukturalną osłonę, która otacza antenę i chroni ją przed wpływami zewnętrznymi, jednocześnie pozostając przepuszczalną dla fal radiowych. Musi ona pozostać wolna od lodu, aby zapewnić niezawodne działanie systemów radarowych i sensorycznych w ekstremalnych warunkach pogodowych. Dotychczasowe rozwiązania opierały się na foliach grzewczych lub wplecionych w ultradźwięki drutach, które tolerują jedynie umiarkowane odkształcenia, co ogranicza możliwości projektowe. Jako demonstracyjny komponent, Fraunhofer IWU zastosował w procesie WEAM przewody grzewcze bezpośrednio na folii, która następnie została odkształcona i zintegrowana z elementem.
Zaletą procesu WEAM jest to, że drut pozostaje dokładnie na swoim miejscu nawet po wtrysku – nie występują ani utraty funkcji, ani zjawiska odklejania (delaminacja). Zużycie materiału jest bardzo oszczędne, a mimo to można zapewnić bardzo wysoką moc grzewczą.
Zintegrowane druty grzewcze w radomach mogą przyczynić się do efektywnego energetycznie odladzania, co na przykład w pojazdach elektrycznych z akumulatorami może zwiększyć zasięg. W pojazdach takie druty grzewcze można zintegrować jako bliskie ciału źródła ciepła w podłokietnikach, elementach bocznych lub na plecach przednich siedzeń – to znacznie obniża zapotrzebowanie na energię w porównaniu do ogrzewania wnętrza. Oprócz branży motoryzacyjnej, również pojazdy wojskowe i drony mogłyby skorzystać z niezawodnej sensoriki w warunkach śniegu, lodu i ekstremalnych temperatur. W samolotach ochrona przed zamarzaniem mogłaby pomóc w redukcji kosztów utrzymania i jednocześnie zwiększyć bezpieczeństwo. W wielu zastosowaniach przemysłowych osłony czujników dla systemów autonomicznych byłyby gwarancją niezawodnego działania w trudnych warunkach.
Przykład wysokoelastycznych, rozciągliwych i formowalnych w 3D płytek.
Dzięki WEAM możliwe jest aplikowanie skomplikowanych układów przewodów na cienkiej na 0,1 mm folii termoplastycznej poliuretanowej (TPU). Ścieżki przewodzące mogą być całkowicie lub częściowo pokryte tworzywem sztucznym – w zależności od wymagań elektrycznych (np. odporność na przebicie). W przypadku kontaktów powłoka może być pominięta. Przewody mogą się krzyżować i pozostają elektrycznie izolowane. TPU łączy właściwości tworzywa sztucznego, takie jak formowalność i odporność chemiczna, z właściwościami gumy (elastyczność, giętkość); płytki wytwarzane w ten sposób wytrzymują bardzo wysokie poziomy trójwymiarowego odkształcenia, podczas gdy konwencjonalne płytki elastyczne lub rozciągliwe z ścieżkami przewodzącymi na bazie tuszu, pasty lub proszku już zawodzą.
Ponadto WEAM oferuje możliwość łączenia różnych stopów i układów na jednej powierzchni, aby zintegrować sensory, aktuatory oraz przewody danych/energii na poziomie folii. Powłoka polimerowa może być dostosowana w zależności od wymagań elektrycznych. Aby zapewnić idealne połączenie, powłoka może być pominięta ze względu na wysoką izolację. Tutaj również zasada jest taka: swoboda projektowania jest niemal nieograniczona. Przy użyciu „folii klejącej TPU” drukowana płytka lub wiązka kabli mogą być bezpośrednio „przyprasowane” do różnych materiałów (tekstylia, włóknina, dywan, drewno, metal…). Możliwe są liczne obszary zastosowań:
- Wearables: Elektronika, która może być bezproblemowo zintegrowana jak druga skóra – dla większego komfortu, mniejszej liczby miejsc narażonych na uszkodzenia i nowych opcji projektowych.
- Wnętrze/Budownictwo: Formowalne systemy ogrzewania powierzchniowego, przewody elektryczne, zastosowania Shy-Tech (z jak najmniej widocznym wkomponowaniem) przy zintegrowanej sensorice/aktoryce.
- Motoryzacja: Wewnętrzne komponenty z zintegrowaną elektroniką lub przewodami intramodulowymi; zapotrzebowanie na wiązki kablowe może się zmniejszyć, a swoboda projektowania przy jednoczesnym zmniejszeniu wagi może wzrosnąć. Dodatkowo możliwe są dodatkowe rozwiązania modułowe.
- Obrona: W grę wchodzą folie sensorowe do wykrywania obciążeń i odkształceń, integracja aktuatorów do mechanizmów zwalniających, połączenia wewnątrzmodułowe, lepiej chronione płytki oraz skomplikowane anteny radarowe.
Przykład: Elastyczne przewody wysokotemperaturowe bez PFAS
WEAM umożliwia produkcję termoplastycznych elastycznych przewodników lub płytek, które są odporne na temperatury do 260 °C (krótkoterminowo 300 °C). Dotychczas było to możliwe tylko z materiałem poliimidowym (PI), który był pokryty materiałami zawierającymi fluor, aby utrzymać metalowe przewody. Dzięki WEAM ta powłoka jest zbędna, ponieważ przewód jest mocowany tym samym materiałem co podłoże foliowe.
Z „połączenia o tej samej konstrukcji“ wynikają zalety, takie jak doskonała stabilność mechaniczna (przewodnik pozostaje nienaruszony nawet przy dużych obciążeniach zginających), niski zużycie materiału na izolację elektryczną i wreszcie wysoka zdolność do recyklingu dzięki czystości sortów. WEAM można zatem uznać za zrównoważone rozwiązanie do zastosowań w wysokotemperaturowych.
W obszarach motoryzacji i lotnictwa zastosowanie takich rozwiązań w komorze silnika lub w pobliżu silnika jest uzasadnione, gdzie wymagana jest wysoka odporność na temperaturę przy niskiej wadze. W obszarze obronnym elektronika mogłaby być zaprojektowana jako odporna i trwała w ekstremalnych warunkach. Inżynieria mechaniczna i robotyka mogłyby skorzystać z trwałych, ekologicznych przewodów do obszarów o dużym obciążeniu, jak również z delikatnych systemów ogrzewania powierzchniowego.
Przykład drona: obudowa komponentu z wbudowanymi funkcjami elektrycznymi
Na przykładzie obudowy drona z zintegrowanymi funkcjami elektrycznymi Fraunhofer IWU pokazuje, że dzięki WEAM obudowa staje się płytką drukowaną – lub płytka drukowana staje się obudową. Funkcje takie jak sensoryka, aktuatory, ekranowanie elektromagnetyczne czy indukcyjne cewki ładujące mogą być zintegrowane w celu optymalizacji transferu energii: Ekrany elektromagnetyczne w tym rozwiązaniu nie są już związane z sztywnymi odległościami siatki, co zapewnia stałą ochronę nawet w przypadku skomplikowanych kształtów.
Funkcjonalne obudowy komponentów przynoszą wyraźne korzyści w różnych zastosowaniach. W narzędziach elektrycznych i elektronice outdoorowej obudowy muszą wytrzymywać ekstremalne obciążenia, chronić przed wodą lub znosić uderzenia. Zintegrowana sensorika mogłaby być wykorzystywana do rozpoznawania użytkowników lub do pomiaru obciążenia. W obszarze obronności możliwe są niedrogie, solidne rozwiązania automatyzacyjne oraz lokalna, dostosowana do potrzeb produkcja. Produkty konsumenckie mogłyby być projektowane w szczególnie kompaktowy sposób i oferować dodatkowe funkcje na ograniczonej przestrzeni, przy tym być produkowane w sposób ekonomiczny i charakteryzować się dłuższą żywotnością.
Kontakt:
