Functional Printing: Additiv und flexibel

Funktionsintegration durch Drucktechnologien

Die Technologieplattform »Functional Printing« umfasst digitale und maskenbasierte Drucktechnologien, womit Bauteile gezielt und passgenau an den erforderlichen Bauteilstellen funktionalisiert werden können. Sensoren oder elektronische Komponenten können so in bestehende Produkte integriert werden und verleihen dem Bauteil zusätzliche oder ganz neue Eigenschaften und Funktionen. Das Fraunhofer IFAM verfügt über alle wichtigen Druckverfahren und hat eine tiefgreifende Materialexpertise. Werden für z.B. sensorische Anwendungen verdruckbare Tinten oder Pasten benötigt, die nicht kommerziell erhältlich sind, können diese am Fraunhofer IFAM entwickelt werden.

Tinten und Pasten: Der Schlüssel zur Funktionsintegration

Das Functional Printing nutzt Druckverfahren, die aus dem Farbdruck oder für das Applizieren von Klebstoffen/Lotpasten bekannt sind, aber auch Spezialdruckverfahren. Die verdruckten Materialien, sog. Tinten und Pasten, sind der Schlüssel zur Funktionsintegration: Sie enthalten die Partikel, die zu den gewünschten Funktionen wie einer elektrischen Leitfähigkeit oder sensorischen Eigenschaften führen. Durch die Wahl eines geeigneten Druckverfahrens und Materials können Strukturgrößen von wenigen Mikrometern bis hin zu Großflächen von mehreren Metern realisiert werden. Dabei ist das Functional Printing nicht auf 2D-Substrate begrenzt, mit Robotern und Mehrachsanlagen können auch komplexe 3D-Oberflächen oder flexible und dehnbare Folien und Textilien bedruckt werden.

Functional Printing: Materialsparendes und umweltfreundliches Verfahren

Im Zentrum der Technologie Functional Printing steht das Material, welches die Eigenschaften ermöglicht, die auf dem Bauteil gewünscht werden. Dieses Material wird entweder mit einem maskenbasierten Verfahren wie Siebdruck oder Tampondruck oder einem digitalen Verfahren wie dem Aerosol Jet Printing, dem Ink-Jet-Printing oder dem Dispensen aufgedruckt. Dabei wird das Funktionsmaterial, im Gegensatz zu Lithographieverfahren, nur genau dorthin gebracht, wo es in der Anwendung auch benötigt wird. Ein nachfolgender Aushärtungsschritt, welcher über Temperatur, UV-, Laser- oder Blitzlicht erfolgt, führt zu den gewünschten Eigenschaften des applizierten Materials. Alle Technologien haben gemein, dass sie materialsparend sind und umweltfreundliche Alternativen zu vergleichbaren Herstellungsprozessen sein können.

Bedrucken von komplexen Oberflächen

Neben dem Drucken von elektrischen Leiterbahnen können am Fraunhofer IFAM eine Reihe von Sensoren direkt appliziert werden. Bespiele für gedruckte Sensoren sind Dehnungsmesstreifen (DMS), Temperatursensoren (resistive Pt100, Pt1000, Thermoelemente Typ K, J, T), kapazitive Sensorik zur Detektion z.B. von Feuchtigkeit oder Berührungen, Vibrations-bzw. Impact und viele weitere Sensoren. Auch aktive Elemente wie Aktoren und Heizer (resistiv z.B. PTC) können gedruckt werden.

Das Functional Printing ermöglicht es, den Sensor auf die spezifischen Gegebenheiten des Bauteils anzupassen und direkt auf die Bauteiloberfläche zu Drucken. Dies hat neben einem hohen Automatisierungsgrad auch den Vorteil, dass die Ansprechzeiten deutlich verringert werden können. Auch Bauteilbereiche mit komplexen Oberflächen, an denen folienbasierte Sensoren an ihre Grenzen stoßen, sind bedruckbar. Eine Funktionalisierung ist dabei nicht auf die Bauteiloberfläche beschränkt, sondern es können während der additiven Fertigung Leiterbahnen oder Sensoren auch im Innern der Bauteile eingebracht werden. Glasfaser- oder Kohlenstoffgewebe, die als Halbzeuge zur Herstellung von Faserverstärken Kunststoffen dienen können ebenfalls mit Sensoren versehen werden, welche sich nach der Bauteilherstellung im Innern der Bauteile befinden. Diese Ansätze bieten ganz neue Design- und Auslegungsmöglichkeiten und können die Funktionsdichte deutlich erhöhen. Dabei müssen Bauteile nicht von Grund auf neu designt werden, die Technologie erlaubt es auch, bestehende Bauteile mit Funktionalitäten zu erweitern und so einen Mehrwert zu schaffen.

Anlagentechnik und die verdruckbaren Materialien sind kommerziell verfügbar und lassen eine schnelle Umsetzung in die Serie zu. Das Fraunhofer IFAM modifiziert diese Materialien und Prozesse ggfs. für die spezifischen Kundenanforderungen. Umweltfreundliche Materialien, z. B. auf Wasserbasis und robuste Druckverfahren bieten die Möglichkeit einer Produktion in Deutschland mit geringen Auflagen und außerhalb von Reinräumen. 

Beispiele

© Fraunhofer IFAM
Funktionalisierte Lagerschale
© Fraunhofer IFAM
Funktionsintegrierte Flügelvorderkante

Die Technologieplattform »Functional Printing« bietet neue Lösungen zur Funktionsintegration und einen schnellen Einstieg in die Produktion. Bestehende Bauteile können mit zusätzlichen Sensoren und Funktionen ausgestattet werden, die dem Bauteil einen Mehrwert verleihen und z.B. für das Internet of Things (IoT) genutzt werden können. Die aus diesen Bauteilen gewonnenen Daten können wiederum Ausgangspunkt für weitere neue Geschäftsmodelle sein.

 

Funktionalisierte Lagerschale

Mit der Firma MAHLE Engine Systems UK Ltd. wurde eine Sensorlösung zur Überwachung der Schmierfähigkeiten von Öl in Motoren entwickelt. So wurden miniaturisierte Temperatursensoren in die Gleitschicht von Lagerschalen eingebracht. Diese registrieren einen Temperaturanstieg, ausgelöst durch nachlassenden Schmiereigenschaften des alternden Öls. So wird ein Ölwechsel On-Demand und eine frühzeitige Wahrung vor Motorschäden ermöglicht.

 

Funktionsintegrierte Flügelvorderkante

Durch die Integration von Sensoren und elektronischen Bauteilen in faserverstärkte Kunststoffe ohne deren mechanischen Festigkeiten zu verändern wurde im Fraunhofer-Leitprojekt »Go Beyond 4.0« ein großer Erfolg erzielt. Ein Demonstrator mit integrierten Temperatur-, Eis- und Impact-Sensoren sowie Heizern und Beleuchtung zeigt die Möglichkeiten auf. In der Herstellung werden Gewebe mit den Funktionsstrukturen bedruckt. Diese können anschließend ohne weitere Einschränkungen in den normalen Prozessen weiterverarbeitet werden. Neben der Luftfahrt ist kann diese Technologie in allen Bereichen, in denen faserverstärkte Kunststoffe genutzt werden, Anwendung finden.

Die Funktionalisierung ist eine Kernkompetenz des Fraunhofer IFAM. Die Arbeitsgruppe »Functional Printing« von Jonas Deitschun erforscht und entwickelt funktionsintegrierte Bauteile und Oberflächen. In der Abteilung »Smart Systems« verfügt die Gruppe über umfassendes Know-how und neueste Technologien mit den Schwerpunkten auf Tinten- und Pastenentwicklung sowie auf gedruckte Elektronik und Sensorik. Die Anwendungsfelder reichen vom Automobilbau, über die Flugzeugherstellung bis hin zur Energie- und Medizintechnik.

Webinar »Functional Printing - Materialien und Prozesse für die Funktionsintegration«

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In der Webinar-Reihe »Functional Printing« geben verschiedene Referent*innen des Fraunhofer IFAM Einblicke in aktuelle Fragestellungen der Funktionsintegration durch verschiedene Drucktechnologien.  

In diesem Webinar vermitteln Dr. Volker Zöllmer und M. Sc Jonas Deitschun anhand von praktischen Beispielen das Funktionsprinzip und die Funktionsweise aller wichtigen funktionalen Drucktechnologien.

Mehr Informationen zur Webinar-Reihe »Functional Printing«

Forschungswissen für die Praxis: Unsere Angebote

 

Seminarreihe Functional Printing

Wir bieten am Fraunhofer IFAM in Bremen eine praxisnahe Weiterbildung für Fach- und Führungskräfte.

 

Webinarreihe Functional Printing

In den Webinaren geben unsere Referent*innen Einblicke in aktuelle Fragestellungen der Funktionsintegration durch verschiedene Drucktechnologien.

 

Workshop Functional Printing

Das jährlich stattfindende Netzwerktreffen »Workshop Functional Printing« präsentiert aktuelle Ergebnisse aus der Forschung und der Anwendersicht.