Wie Kunststoff unter Strom hochintegrierte Sensoren ermöglicht

Im Forschungsprojekt “Elektronische Funktionsintegration in additiv gefertigte Bauteile” ist es Forschenden vom Zentrum für Additive Produktion am Fraunhofer IPA in Stuttgart gelungen, mit einem 3D-Drucker induktive Näherungssensoren in beliebiger Form herzustellen. Allerdings musste der Druckprozess immer wieder unterbrochen werden, um Leiterbahnen im Gehäuse zu verlegen.

In der zweiten Projektphase hat das Forschungsteam um Stefan Pfeffer deshalb zusammen mit dem Kunststoffmaschinenhersteller Arburg aus Loßburg untersucht, welche leitfähigen Kunststoffe anstelle von Silber oder Kupfer zum Einsatz kommen könnten. Experimentiert wurde dazu mit verschiedenen thermoplastischen Elastomeren (TPE). Leitfähig sind TPE, wenn sie etwa eine ausreichende Menge an Rußpartikeln enthalten. Zunächst fahndete das Forschungsteam nach demjenigen TPE mit dem geringsten elektrischen Widerstand.

Das ausgewählte Material unterzogen Pfeffer und sein Team anschließend einer Reihe von Materialtests: Sie setzten es Hitze und Kälte aus, um zu prüfen, wie sich der elektrische Widerstand verändert. Sie leiteten Strom mit immer höherer Spannung hindurch, bis die Leiterbahnen durchschmorten. Und sie setzten es auf einem Flachdach ein Jahr lang Wind und Wetter aus, um herauszufinden, wie das TPE verwittert und wie sich seine Eigenschaften währenddessen verändern.

Gegenstand der Forschung war außerdem die Frage, welche Einstellungen am “Freeformer”, dem industriellen additiven Fertigungssystem von Arburg, vorgenommen werden müssen, um den elektrischen Widerstand des Materials zu minimieren.

Um seinen Zweck erfüllen zu können, muss das leitfähige TPE während des Drucks in einen anderen thermoplastischen Kunststoff mit isolierenden Eigenschaften eingebettet werden. Die Crux dabei: Die beiden Kunststoffe müssen aneinander haften, dürfen beim Druckprozess aber nicht verschmieren, weil sonst ein Kurzschluss droht.

Geklärt hat das Forschungsteam um Pfeffer auch die Frage, wie sich elektronische Bauteile wie LEDs, Widerstände oder Mikrocontroller am besten einbauen und mit der gedruckten TPE-Leiterbahn kontaktieren lassen. Damit ist es nun möglich, das Gehäuse und die Elektronik, die es umschließt, in einem einzigen Arbeitsgang additiv zu fertigen.

“Leiterbahnen aus rußhaltigem TPE sind zwar kostengünstig in der Herstellung”, sagt Pfeffer, “allerdings werden sie gelötete Leiterbahnen wegen der insgesamt schlechteren Leitfähigkeit nicht ersetzen können.” Anwendungsmöglichkeiten gebe es dennoch einige. Denkbar seien beispielsweise kapazitive Sensoren wie Touch-Schalter oder Füllstandmesser.