3D-gedruckte Elektronik und Energy Harvesting

Profil und Zielsetzung

3D-gedruckte Elektronik

3D-Druck findet immer weitere Verbreitung, zumeist in Form von kostengünstigen Druckern für Kunststofffilamente. Die Nutzung von Funktionsmaterialien, die bspw. über elektrische Leitfähigkeit verfügen, stellt eine der nächsten Stufen des 3D-Drucks dar. Damit wird es möglich elektronische Funktionalitäten in 3D-gedruckte Werkstücke direkt zu integrieren. Mittels Druck leitfähiger Materialien können zudem auch mehrschichtige Leiterkarten auf schnellem Wege hergestellt, sowie gedruckte Sensorik realisiert werden. Hierfür stehen im Labor verschiedene Drucker und Druckverfahren für die Forschung zur Verfügung.

Energy Harvesting

Die mit Industrie 4.0 fortschreitende Vernetzung und Überwachung von Maschinen und Prozessen geht mit einer steigenden Anzahl an Sensoren einher. Bis 2020 soll es weltweit ca. 26 Milliarden funkende Kleinstgeräte geben. Die drahtgebundene Energieversorgung ist je nach Einsatzort der Sensorknoten nicht möglich. Batterien stellen hierbei personell (Austausch) und umwelttechnisch (Entsorgung) eine Herausforderung dar. Energy Harvesting bietet die Möglichkeit, die energieautarke Versorgung (mittels ambienter Energie) drahtloser Sensorknoten zu gewährleisten. Dies kann bspw. durch die Nutzung von Prozessabwärme, Vibrationen von Maschinen, mechanischen Schaltvorgängen oder Indoor-Solarzellen geschehen, worauf sich das Labor in einem der beiden Schwerpunkte konzentriert.

  • Additive Verfahren zur Herstellung von Sensorik in Greifsystemen
  • Additive Verfahren zu Herstellung von Energy-Harvestern
  • Predictive Maintenance
  • Additive gefertigte Elektronik
  • Additiv gefertigte Kunststoffkomponenten

DFG Großgerät 5-Achs-Maschine zur additiven Fertigung elektronischer Bauteile

Neotech AMT 15XSA

With the extensive range of print and post-processing tools the 15X SA supports a wide variety of functional materials. Conductive nanoparticle inks and micron scale pastes can be accurately deposited onto complex shaped non-planar substrates and combined with SMD Pick & Place for manufacturing mechatronic systems. Structural bodies can also be generated via the FFF, pellet extruder and dispensing modules enabling “Fully Additive” 3D Printed Electronics.

Drucker

  • Prusa i3 MK3 - 3D Druck Kunststoff
  • Prusa i3 MK3S - 3D Druck Kunststoff
  • Prusa i3 MK3S MMU - 3D-Druck Kunststoff
  • Voltera V-One - PCB Platinendruck
  • Botfactory SV2 - Multilayer (4Schicht) PCB Platinendruck

Messgeräte

  • Keithley 2450 SourceMeter - Netzgerät und Multimeter
  • PeakTech 2005 - Multimeter sowie Induktivitätsmessung
  • Sourcetronic Precision LCR Meter ST2829C - Messbrücke
  • Teledyne Lecroy waveStation 2012 - waveform Generator
  • Teledyne Lecroy waveAce 1001 - Oscilloscope

Weitere Anlagen

  • Emag EMMI 20 HC - Ultraschallreiniger 150W 2l
  • Ersa i-Con Vario 4 - Lötstation
  • Ersa EASY ARM 1 - Saugarm
  • Liebherr LKUexv 1610 MediLine - Laborkühlgerät
  • Memmert UF55plus - Wärme – und Trocknungsgerät
  • RIGOL DP832 - Programmable DC Power Supply
  • Toolcraft DigiMicro Lab5.0 - Mikroskop

Additiv hergestellte Energy Harvester

Doktorand: Philipp Gawron

Die fortschreitende Vernetzung mittels Smart-Devices stellt die Energieversorgung dieser Geräte vor Herausforderungen. Batteriewechsel und -entsorgung sind aufwendig und je nach Einsatzort nicht immer möglich. Energy Harvesting erlaubt die Nutzung ambienter Energie als Energiequelle womit Geräte autark betrieben werden können. Allerdings sind Energy Harvester oft nur in bestimmten Größen und Auslegungen sowie zu hohen Preisen erhältlich. Die additive Fertigung erlaubt eine freie Formgebung, einfache Skalierung und kostengünstige Herstellung von Komponenten aus verschiedensten Materialien im Prototypenbereich oder Kleinserien. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit Energy Harvester in der applikationsspezifisch passenden Größe oder mit dem gewünschten Energieoutput zu drucken.

3D-gedruckte Sensorik in Mensch Roboter-Kollaborations-Greifsystemen

Doktorand: Nikolai Hangst

Für die Gewährleistung einer fehler- und gefahrenfreien Mensch-Roboter-Kollaboration ist es notwendig, dass sowohl Roboter, als auch Greifsystem im Sinne der Mutternorm IEC61508 sicher sind. Das bedeutet, dass zu den Robotern entsprechend sichere Greifer benötigt werden. Des Weiteren ist die Flexibilität und Preis des Greifsystems von entscheidender Bedeutung. Mit Hilfe der Additiven Fertigung sollen einerseits die Greifflächen direkt an die zu greifenden Bauteile angepasst und andererseits der einfache und kostengünstige Austausch von Greifbacken inklusive dessen eingedruckter Sensorik gewährleistet werden. Auch in der klassischen Robotik steigt die Bedeutung des feinfühligen Greifens filigraner Bauteile wie bspw. die Handhabung eines Hühnereis stetig an.

DFG Großgerät: Fünf-Achs-Maschine zum 3D-Druck von elektrisch funktionsfähigen Bauteilen, inklusive Druck von Leiterbahnen und Pick&Place

BMWI-ZIM Kooperationsprojekt (März 2021 - September 2023): Entwicklung eines einfach zu programmierenden "low-cost" Entgratungsroboters mit automatischem Fehlerausgleich für große Trägerbauteile

BMWI-ZIM Kooperationsprojekt (Dezember 2020 - Mai 2023): Entwicklung eines sensitiven Greifbackensystems für Robotergreifsysteme mittels additiver Fertigung

BMWI-ZIM Kooperationsprojekt (Oktober 2020 - März 2023): Entwicklung eines autonomen, fahrerlosen, low-cost-Transportsystems – Entwicklung des kompletten Sensorsystems und der Sensormodultechnik

BMWI-ZIM Kooperationsprojekt (Januar 2020 - April 2022): Entwicklung einer 3D-Druckanlage zur automatisierten Herstellung eines aktiven Front-Panelsystems; Entwicklung der Drucktechnik, der Druckköpfe  sowie des automatisierten Werkzeugwechselsystems und der druckbaren Sensorkomponenten

BMWI-ZIM Kooperationsprojekt (November 2019 - Juni 2022): Sensorik basierte Zustandserfassung, Überwachung und Regelung technisch anspruchsvoller Spritzgussverfahren und hochfachiger Werkzeuge auf der Ebene der Kavität; Erforschung von digitaler, energieautarker Sensorik und Schnittstelle zur Anlage für ein verteiltes, energieautarkes System der aktiven Kavität in hochfachigen Spritzgusswerkzeugen

BMWI-ZIM Kooperationsprojekt (Mai 2018 - November 2020): Entwicklung eines kollaborativen Robotiksystems für die Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung an Industrierobotern; Entwicklung des kollaborativen Gesamtsystems, inkl. der Kamera- und Sensortechnik und des Unterscheidungssystems

BMWI-ZIM Kooperationsprojekt (Dezember 2017 - Dezember 2020): Entwicklung einer Wireless-Technologie für sicherheits-kritische Anwendungen — flexible Optimierbarkeit von Leistungsprofil und Energieeffizienz durch variable Sterntopologie und Echoknoten; Erforschung eines adaptiven Kommunikationsprotokolls und der Algorithmen für Scheduling und Datenaustausch

BMWI-ZIM Kooperationsprojekt (Dezember 2017 - November 2020): Entwicklung eines multifunktionalen, intelligenten und kundenspezifisch aufgebauten Mensch-Roboter-Kollaborations-3-Fingergreifsystems mit Hilfe von Additiv Manufacturing; Entwicklung des mechanischen Robotikgreifkonzepts sowie des Fingergreifsystems, der Fingerglieder, Oberflächen und der Andocktechnik, inkl. Endbindung der 3D-Multimaterialdrucktechnik

BMWI-ZIM Kooperationsprojekt (September 2016 - Juli 2020): Intelligenter Spritzguss -Entwicklung eines miniaturisierten Systems für Identifikation, Prozessdatenspeicherung und Überwachung von Spritzgießwerkzeugen

BMBF (April 2018 - Mai 2020): Intelligentes Elektroniksystem zur Prozesskontrolle in peripheren Maschinenkomponenten; Teilvorhaben: Energieautarke Stromversorgung / Energy Harvesting