Esta tecnología abre posibilidades completamente nuevas: los componentes pueden fabricarse con diversas funciones eléctricas integradas, y esto con un rendimiento significativamente mejor para tareas sensoriales y de carga que los métodos de impresión basados en pastas, tintas y polvos. La clave radica en el uso de hilos y cables estándar, que garantizan propiedades eléctricas perfectas gracias a su aleación homogénea y al constante diámetro del conductor.
La ventaja decisiva radica en el control preciso de las propiedades eléctricas mediante la elección de la aleación y el diámetro del conductor, así como del diseño de las pistas de conductor en combinación con una rotación continua de la herramienta. Esto permite integrar funciones como líneas de potencia y datos, sensores integrados para proximidad, carga, estados de llenado, temperatura o incluso apantallamientos en términos de compatibilidad electromagnética (EMC) directamente en componentes existentes o integrarlos de manera invisible a través de procesos posteriores. En la Formnext, el Fraunhofer IWU presentará una cabeza de impresión WEAM lista para producción, integrada en la instalación del fabricante CR3D. El equipo liderado por Lukas Boxberger demostrará el beneficio industrial de WEAM con cuatro ejemplos.
Ejemplo de calefacción de radomo para proteger sensores RADAR en automóviles: máxima libertad de diseño, función perfecta, bajo consumo de material
Un radomo, una combinación de palabras de RADAR y cúpula, es una cubierta estructural resistente a la intemperie que rodea una antena y la protege de influencias externas, mientras que al mismo tiempo permanece permeable a las ondas de radio. Debe permanecer libre de hielo para un funcionamiento confiable de los sistemas de radar y sensores en condiciones climáticas extremas. Las soluciones anteriores se basan en películas calefactoras o alambres incrustados mediante ultrasonido, que solo toleran deformaciones moderadas y, por lo tanto, no permiten todos los diseños. Como componente demostrador, el Fraunhofer IWU aplicó conductores calefactores directamente sobre una película en el proceso WEAM para el proveedor de automóviles Nissha, que luego fue moldeada e integrada en el componente.
A favor del proceso WEAM está que el alambre permanece exactamente en su posición incluso después de la inyección, sin que se produzcan pérdidas de función ni fenómenos de separación (delaminación). El consumo de material es muy eficiente, sin embargo, se puede garantizar una alta potencia de calefacción.
Los conductores calefactores integrados en los radomos podrían proporcionar un deshielo eficiente en energía y, por ejemplo, contribuir a mayores autonomías en vehículos eléctricos de batería. En los vehículos, tales conductores calefactores pueden integrarse como emisores de calor cercanos al cuerpo en reposabrazos, elementos laterales o en la parte trasera de los asientos delanteros, lo que reduce significativamente la necesidad de calefacción del interior. Además de la industria automotriz, los vehículos militares y los drones también podrían beneficiarse de sensores confiables en nieve, hielo y temperaturas extremas. En aviones, una protección contra el hielo podría ayudar a reducir los esfuerzos de mantenimiento y aumentar la seguridad. En muchas aplicaciones industriales, las cubiertas de sensores para sistemas autónomos serían una garantía de funcionamiento confiable en condiciones adversas.
Ejemplo de placas altamente flexibles, extensibles y moldeables en 3D
Con WEAM es posible aplicar diseños de cableado complejos sobre una película de poliuretano termoplástico (TPU) de 0,1 mm de grosor. Las pistas de conductor pueden estar completamente o parcialmente recubiertas de plástico, dependiendo de los requisitos eléctricos (por ejemplo, resistencia a la perforación). Para las conexiones, se puede omitir el recubrimiento. Los conductores pueden cruzarse y permanecer eléctricamente aislados. TPU combina las propiedades del plástico, como la conformabilidad y la resistencia química, con las del caucho (elasticidad, flexibilidad); las placas fabricadas de esta manera toleran un alto grado de deformación tridimensional, donde las placas flexibles o estirables convencionales con pistas de conductor basadas en tinta, pasta o polvo ya fallan.
Además, WEAM ofrece la opción de combinar diferentes aleaciones y diseños en una superficie para integrar sensores, actuadores y líneas de datos/potencia a nivel de película. El recubrimiento de polímero puede ajustarse según los requisitos eléctricos. Para una perfecta conexión, el recubrimiento puede omitirse debido a su alta aislación. Aquí también se aplica: la libertad de diseño es prácticamente ilimitada. Al utilizar una 'película de adhesivo termofusible TPU', la placa impresa o un arnés de cables puede 'transferirse' directamente a diversos materiales (textil, no tejido, alfombra, madera, metal, etc.). Se pueden imaginar numerosas áreas de aplicación:
- Wearables: Electrónica que se puede integrar sin costuras como una segunda piel - para más comodidad, menos puntos de rotura y nuevas opciones de diseño.
- Interior/Construcción: Sistemas de calefacción de superficie flexibles, líneas de corriente, aplicaciones de tecnología discreta (con la integración más discreta posible) en sensores/actuadores integrados en componentes.
- Automotriz: Componentes del interior con electrónica integrada o líneas intramódulo; la necesidad de arneses de cables podría disminuir, aumentando la libertad de diseño al mismo tiempo que se reduce el peso. Además, se podrían considerar soluciones modulares adicionales.
- Defensa: Se pueden considerar películas de sensores para detección de carga y deformación, la integración de actuadores para mecanismos de desbloqueo, conexiones intramódulo, placas mejor protegidas y antenas radar complejamente moldeadas.
Ejemplo: Conductores flexibles de alta temperatura libres de PFAS
WEAM permite la fabricación de conductores flexibles termoplásticos o placas que son resistentes a temperaturas de hasta 260 °C (a corto plazo 300 °C). Hasta ahora, esto solo se puede lograr con el material de polimida (PI), que está recubierto con materiales que contienen flúor para fijar los conductores metálicos. Con WEAM, este recubrimiento se elimina, ya que el conductor se fija con el mismo material que el sustrato de la película.
De la 'conexión de igual tipo' se derivan ventajas como una excelente estabilidad mecánica (el conductor permanece intacto incluso bajo altas tensiones de flexión), bajo consumo de material para el aislamiento eléctrico y, por último, una alta reciclabilidad gracias a la pureza de la variedad. Por lo tanto, WEAM puede considerarse una solución sostenible para aplicaciones de alta temperatura.
En las áreas automotriz y aeroespacial, el uso de tales soluciones en el compartimento del motor o cerca de los motores es adecuado, donde se requiere alta resistencia a la temperatura con bajo peso. En el ámbito de la defensa, la electrónica podría diseñarse para ser robusta y duradera en entornos extremos. La ingeniería mecánica y la robótica podrían beneficiarse de conductores duraderos y ecológicos para áreas de alta carga, así como de sistemas de calefacción de superficie delicados.
Ejemplo de dron: carcasa de componente con funciones eléctricas integradas
A través del ejemplo de una carcasa de dron con funciones eléctricas integradas, el Fraunhofer IWU muestra que con WEAM la carcasa se convierte en la placa – o la placa en la carcasa. Funciones como sensores, actuadores, apantallamiento electromagnético o bobinas de carga inductiva pueden integrarse directamente en términos de una optimización de la transmisión de energía: los apantallamientos electromagnéticos en esta solución ya no están vinculados a anchos de malla fijos y, por lo tanto, ofrecen una protección constante incluso en formas complejas.
Las carcasas funcionales de componentes crean un valor añadido claro en una variedad de aplicaciones. En herramientas eléctricas y electrónica de exterior, las carcasas deben soportar cargas extremas, proteger contra la entrada de agua o resistir golpes. La sensorística integrada podría utilizarse para el reconocimiento de usuarios o para determinar la carga. En el ámbito de la defensa, se podrían imaginar soluciones de automatización robustas y económicas, así como una fabricación local y ajustada a la demanda. Los productos de consumo podrían diseñarse de manera especialmente compacta y ofrecer funciones adicionales en un espacio reducido, produciéndose de manera económica y teniendo una mayor durabilidad.
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