Ez a technológia teljesen új lehetőségeket nyit meg: Az alkatrészek sokféle integrált elektromos funkcióval készíthetők – és mindez jelentősen jobb teljesítménnyel a szenzoros és terhelésviselő feladatokhoz, mint a paszta-, tinta- és poralapú nyomtatási eljárások. A kulcs a szabványos vezetékek és szálak használatában rejlik, amelyek homogén ötvözetüknek és állandó vezető keresztmetszetüknek köszönhetően tökéletes elektromos tulajdonságokat garantálnak.
A döntő előny abban rejlik, hogy a vezeték anyagának és átmérőjének, valamint a vezetéknyomvonal elrendezésének megválasztásával, kombinálva a szerszám folyamatos forgatásával, pontosan szabályozhatók az elektromos tulajdonságok. Így olyan funkciók, mint a teljesítmény- és adatvezetékek, integrált érzékelők a közelség, terhelés, töltöttségi szint, hőmérséklet vagy akár az elektromágneses kompatibilitás (EMV) szempontjából történő árnyékolás, közvetlenül alkalmazhatók a meglévő alkatrészekre, vagy a későbbi folyamatok során láthatatlanul integrálhatók. A Formnext-en a Fraunhofer IWU bemutat egy sorozatgyártásra kész, a CR3D gyártó berendezésébe integrált WEAM nyomtatófejet. Lukas Boxberger csapata négy példán keresztül demonstrálja a WEAM ipari hasznát.
Példa a radomfűtésre a RADAR-érzékelők védelmére az autókban: maximális tervezési szabadság, tökéletes működés, alacsony anyagfelhasználás.
A Radom, amely a RADAR és a Dome (kupola) szavak kombinációja, egy időjárásálló, struktúrált védőburkot jelent, amely egy antennát körülölel, és megvédi azt a külső hatásoktól, miközben egyidejűleg áteresztő marad a rádióhullámok számára. A radar- és érzékelőrendszerek megbízható működése érdekében szélsőséges időjárási körülmények között jégmentesnek kell maradnia. A korábbi megoldások fűtőfóliákra vagy ultrahanggal beágyazott vezetékekre támaszkodtak, amelyek csak mérsékelt alakváltozásokat viselnek el, így nem minden dizájnt tesznek lehetővé. A Fraunhofer IWU egy demonstrátor alkatrészként a Nissha autóipari beszállító számára a WEAM eljárás során közvetlenül egy fóliára alkalmazta a fűtővezetőket, amelyet ezt követően formáltak és beépítettek az alkatrészbe.
A WEAM-eljárás mellett szól, hogy a drót a hátsó befecskendezés után pontosan a helyén marad – sem funkcióvesztés, sem leválási jelenségek (delamináció) nem lépnek fel. Az anyagfelhasználás nagyon takarékos, mégis biztosítható a nagyon magas fűtési teljesítmény.
Az integrált fűtőszálak a radomokban energiahatékony jégmentesítést biztosíthatnak, így például az akkumulátoros elektromos járművek esetében nagyobb hatótávolságot eredményezhetnek. A járművekben ezek a fűtőszálak közeli hőforrásként integrálhatók a karfákba, oldalelemekbe vagy az első ülések hátuljába – ez jelentősen csökkenti az utastér fűtésének energiaigényét. Az autóiparon kívül a katonai járművek és drónok is profitálhatnak a megbízható érzékelőkből hó, jég és szélsőséges hőmérsékletek esetén. A repülőgépeknél a jégvédő rendszer segíthet csökkenteni a karbantartási igényeket, miközben növeli a biztonságot. Számos ipari alkalmazásban az érzékelőfedések autonóm rendszerek számára garanciát jelentenek a megbízható működésre kedvezőtlen körülmények között.
Példa a rendkívül rugalmas, nyújtható és 3D-formázható lapokra
A WEAM segítségével 0,1 mm vastag termoplasztikus poliuretán fóliára (TPU) komplex vezetékterveket lehet alkalmazni. A vezetékek teljesen vagy részlegesen műanyaggal bevontak lehetnek – az elektromos követelményeknek megfelelően (pl. áthúzási ellenállás). A kapcsolódásokhoz a bevonat elhagyható. A vezetékek keresztezik egymást, és elektromosan szigetelve maradnak. A TPU ötvözi a műanyagok tulajdonságait, mint a formálhatóság és a kémiai ellenállás, a gumi (elaszticitás, rugalmasság) jellemzőivel; az így készült nyomtatott áramkörök nagyon magas mértékű háromdimenziós deformációt elviselnek, míg a hagyományos flex- vagy stretch-nyomtatott áramkörök tintás, pasztás vagy por alapú vezetékekkel már nem bírják.
A WEAM emellett lehetőséget kínál különböző ötvözetek és elrendezések kombinálására egy felületen, hogy integrálja a szenzorokat, aktuátorokat és adat-/teljesítményvezetékeket a fólia szintjén. A polimerek burkolata az elektromos követelményeknek megfelelően alakítható. A tökéletes érintkezés érdekében a burkolat a magas szigetelése miatt elhagyható. Itt is érvényes: a tervezési szabadság szinte határtalan. A „TPU olvadék ragasztófólia” használatával a nyomtatott áramkör vagy egy kábelköteg közvetlenül különböző anyagokra (textil, nem szőtt anyag, szőnyeg, fa, fém…) „rávasalható”. Számos alkalmazási terület képzelhető el:
- Viselhető eszközök: Olyan elektronika, amely mint egy második bőr, zökkenőmentesen integrálható – a nagyobb kényelem, kevesebb töréspont és új dizájnlehetőségek érdekében.
- Belsőépítészet/Építés: Formflexibilis felületi fűtési rendszerek, áramkábeles megoldások, Shy-Tech alkalmazások (minél észrevétlenebb beágyazással) alkatrészintegrált érzékelőkkel/aktív elemekkel.
- Autóipar: Belső térkomponensek integrált elektronikával vagy intramodulvezetékekkel; a kábelkötegek iránti kereslet csökkenhet, miközben a tervezési szabadság a csökkentett súly mellett növekedhet. Ezenkívül további moduláris megoldások is elképzelhetők.
- Védelem: Szóba jöhetnek terhelés- és deformációérzékelésre szolgáló érzékelőfóliák, az aktorok integrálása a kioldó mechanizmusokhoz, intramodul kapcsolatok, jobban védett nyomtatott áramkörök, valamint összetett formájú radarantenna.
PFAS-mentes magas hőmérsékletű flexibilis vezeték
A WEAM lehetővé teszi hőre lágyuló flexibilis vezetők vagy nyomtatott áramkörök előállítását, amelyek 260 °C-ig (rövid ideig 300 °C-ig) hőállóak. Eddig ez csak a fluorid tartalmú anyagokkal bevont poliimid (PI) anyaggal volt elérhető, hogy a fém vezetőket rögzítsék. A WEAM-mel ez a bevonat elhagyható, mivel a vezető ugyanazzal az anyaggal van rögzítve, mint a fóliaszubsztrát.
A „művészeti egyenértékűségből” olyan előnyök származnak, mint a kiváló mechanikai stabilitás (a vezető magas hajlító igénybevétel mellett is épen marad), az alacsony anyagfelhasználás az elektromos szigeteléshez, és nem utolsósorban a magas újrahasznosíthatóság a fajtatisztaság miatt. A WEAM tehát fenntartható megoldásnak tekinthető magas hőmérsékleti alkalmazásokhoz.
Az autóipar és a repüléstechnika területén az ilyen megoldások alkalmazása a motorháztető alatt vagy a hajtómű közelében indokolt, ahol magas hőállóságra és alacsony súlyra van szükség. A védelem területén az elektronika extrém környezetekben robusztus és tartós kialakítással rendelkezhet. A gépészet és a robotika is profitálhat a nagy terhelésű területekhez készült tartós, környezetbarát vezetékekből, valamint a finom felületi fűtési rendszerekből.
Példa drón: Alkatrész ház beépített elektromos funkciókkal
A Fraunhofer IWU egy drónház példáján keresztül bemutatja, hogy a WEAM segítségével a ház nyomtatott áramkörré válik – vagy a nyomtatott áramkör a házzá. Olyan funkciók, mint a szenzorika, aktorika, elektromágneses árnyékolás vagy induktív töltőtekercsek közvetlenül integrálhatók az optimalizált energiaátvitel érdekében: Az elektromágneses árnyékolások ebben a megoldásban már nem kötődnek fix hálószélességekhez, így állandó védelmet nyújtanak még összetett formák esetén is.
A funkcionális alkatrészburkok különböző alkalmazásokban egyértelmű előnyöket nyújtanak. A szerszámgépek és kültéri elektronika esetében a burkoknak extrém terheléseket kell elviselniük, meg kell védeniük a behatoló víztől, vagy ütéseket kell elviselniük. Az integrált érzékelők felhasználói azonosításra vagy a terhelés meghatározására használhatók. A védelem területén költséghatékony, robusztus automatizálási megoldások és helyi, igény szerinti gyártás képzelhető el. A fogyasztói termékek különösen kompakt kialakításúak lehetnek, és további funkciókat kínálhatnak csökkentett térben, miközben költséghatékonyan készülnek és hosszabb élettartammal rendelkeznek.
Kapcsolat:
