3D gedruckte Elektronik in der Stratosphäre

3D-gedruckte Antennen als zentrale Komponente von Yamori. FAU-Lehrstuhl FAPS

Yamori ist das wohl weltweit kleinste, hochintegrierte, industrietaugliche Multistack-LPWAN-IoT-Gerät, das vielseitige Sensorkonfigurationen ermöglicht und den Entwicklungsaufwand für neue vernetzte Produkte deutlich reduziert. Durch 3D gedruckte Elektronik wird die platzsparende Integration von Antennenstrukturen in das Gehäuse sowie deren Ankontaktierung an die Hauptplatine ermöglicht.

Die Antennenstrukturen werden am FAPS mit einem komplexen 5-achsigen Drucksystem der Firma Neotech AMT auf den Boden und die Wände des transparenten Kunststoffgehäuses kontaktlos aufgebracht. Dabei werden mehrere Fertigungstechnologien in einer Anlage kombiniert. Zunächst werden die Oberflächen des Polycarbonatsubstrats plasmabehandelt, um die Benetzung während des darauffolgenden Druckprozesses zu optimieren. Anschließend werden die NFC-Antenne am Boden und die LoRa- und NB-IoT-Antennen an den Wänden mit leitfähiger Silber-Nanopartikeltinte durch das Aerosol-Jet-Verfahren gefertigt. Der Druck auf den Innenseiten des Gehäuses erfordert eine aufwendige Planung der Werkzeugbahnen, um Kollisionen auszuschließen. Außerdem wird ein Lichtsintersystem eingesetzt, um das Verlaufen der Tinte auf den schrägen Oberflächen zu verhindern. Die Technologie der gedruckten Elektronik ermöglicht die Unterbringung von Antennen und Leiterbahnen auf engstem Raum.

IoT in 40 km Höhe und -36°C

Herstellungsprozess der Antennen.

Herstellungsprozess der 3D-gedruckten Antennen v.l.n.r.: CAD Modell, Plasmabehandlung, Aerosol-Jet-Druck, Lichtsintern. FAU-Lehrstuhl FAPS

Um die Zuverlässigkeit von Yamori zu testen, wurde das IoT-Gerät mit einem Heliumballon in die Stratosphäre geschickt. Während dieser Reise legte der Sensor eine Strecke von fast 200 km zurück und erreichte eine Höhe von über 40 Kilometern. Das Experiment zeigte, dass die Yamori-Plattform selbst den widrigsten Bedingungen der Stratosphäre bei einer Umgebungstemperatur von bis zu -36°C standhält. Mithilfe der Yamori Cloud konnten die Sensordaten sowie die Position des Geräts während der Mission überwacht werden.

Die IoT-Plattform Yamori in 40 km Testhöhe.

Die IoT-Plattform Yamori in 40 km Testhöhe. FAU-Lehrstuhl FAPS

Das IoT-Gerät lässt sich flexibel mit Sensoren für die verschiedensten Anwendungsgebiete bestücken – etwa um die Füllstände von Tanks und Containern zu kontrollieren, Kühlketten zu überwachen, die Position von Gütern und Fahrzeugen zu bestimmen oder Menschenmengen bei Veranstaltungen anonym zu zählen. Die von den Sensoren erfassten Daten werden vom Basismodul verarbeitet und über die integrierten Antennen versendet.