Inkjet-Druck auf 3D-Oberflächen: Roboter druckt Sitzheizung und Antennen

• Im Forschungsprojekt »Robotergeführter Inkjet-Druck von funktionalen Schichten auf dreidimensionale (3D)-Objekte« (kurz 3D-Robojet) bauten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer ENAS und der TU Chemnitz erfolgreich einen Versuchsstand für robotergeführten Inkjet-Druck auf.
• Dabei stellten sie unter anderem eine Sitzheizung auf einer Kunststoffsitzschale her.

Von März 2019 bis Juli 2021 arbeiteten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Professur Smart Systems Integration des Zentrums für Mikrotechnologien und der Professur für Robotik und Mensch-Technik-Interaktion der Technischen Universität Chemnitz sowie des Fraunhofer-Instituts für Elektronische Nanosysteme ENAS in Chemnitz an der Entwicklung einer Technologie zum robotergeführten Inkjet-Druck auf 3D-Oberflächen.

Der Versuchsstand mit modularem Aufbau

Das Ziel des Projekts war der Aufbau eines Versuchsstandes mit einem Sechs-Achs-Industrieroboter in Kombination mit einem Inkjet-Druckkopf und dessen Validierung anhand gedruckter funktionaler Anwendungsbeispiele. Der modulare Aufbau der Anlage gestattet es, weitere Funktionen wie die Vorbehandlung mit Plasma, die Nachbehandlung mit ultraviolettem und infrarotem Licht sowie die Objekterkennung mit Hilfe einer 3D-Tiefenkamera und eines Triangulationssensors zu integrieren. Um später mit der Anlage beliebige Druckbilder zielgenau auf Objektoberflächen erzeugen zu können, entwickelte die Professur für Robotik und Mensch-Technik-Interaktion der TU Chemnitz die Robotersteuerung anhand eines mehrstufigen Algorithmus zur Bahnplanung und -steuerung auf Basis von Voxelkarten. Somit lässt sich dasselbe Objekt unabhängig von seiner Lage im Raum bedrucken. Denn wird es verschoben, kann durch das Wiedereinscannen und die Anwendung des Algorithmus exakt dieselbe Position bedruckt werden. Möglich ist ebenfalls das korrekte Aneinandersetzen mehrerer Druckbahnen unter der Berücksichtigung der durch die Oberflächenkrümmung auftretenden Verzerrungen.

Robotergeführter Inkjet-Druck: Die Grundlagen

Die Drucktechnologie selbst untersuchten das Fraunhofer ENAS und das Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz an einer bereits etablierten Fraunhofer-eigenen Anlage. Um die limitierenden Faktoren des Druckprozesses zu ermitteln, bestimmten die Forschenden die Positionierungsgenauigkeit einzelner Tropfen auf Zylinderoberflächen. Auf Basis dieser Erkenntnisse haben sie Abstandslimits bei der Bahnplanung abgeleitet und unter Berücksichtigung der Druckkopfgeometrie und Winkelung eine mathematische Beschreibung der Bedruckung konkaver Geometrien erstellt.

Die Positionierungsgenauigkeit beim Inkjet-Druck ist abhängig von der Distanz des Druckkopfes zur Oberfläche, die zu bedrucken ist. In den durchgeführten Experimenten ließ sich nachweisen, dass sich bei geringen Abständen von weniger als 6 mm die Positionierungsgenauigkeit marginal reduziert. Zudem hat die Druckkopforientierung gegenüber der Erdanziehungskraft, zum Beispiel beim Überkopfdrucken, keinen nennenswerten Einfluss innerhalb dieser geringen Entfernung. Auf schiefen Ebenen ist die Schichtbildung außerdem stark vom Fließverhalten der Tinten abhängig. Um hier eine gute Qualität der Funktionsschichten zu erhalten, setzten die Forschenden auf einen schnellen Trocknungsprozess. Dieser lässt sich mit dem integrierten Modul zur Inline-Infrarot-Nachbehandlung realisieren.

Die gewonnenen Erkenntnisse zur Drucktechnologie auf 3D-Bauteilen des Fraunhofer ENAS hat man anschließend am Versuchsstand der TU Chemnitz integriert.

Die Anwendungen

Im Rahmen des Projektes erprobten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zwei Anwendungsszenarien erfolgreich – eine Heizung und eine RFID-Anwendung. Die Heizung wurde auf einer Kunststoffsitzschale durch den Roboter drucktechnisch aufgebacht. Die Heizleiterstruktur aus einer flächig aufgebrachten Leiterbahn mit einer Gesamtlänge von 16 Metern erstreckte sich über knapp 450 cm² der Sitzfläche und Rückenlehne. Im Betrieb erreichte die Heizung eine homogene Temperaturverteilung von 50 °C.

Für RFID-Anwendungen wurde darüber hinaus eine Dipol-Antenne auf der gekrümmten Oberfläche der Sitzschale drucktechnisch aufgebracht. Die Antennenstruktur befindet sich auf der Rückseite der Sitzlehne und ist mit einem RFID-Chip versehen. Die auf dem Silizium-Chip gespeicherten Informationen lassen sich aus einer Entfernung von über zwei Meter mit einem RFID-Lesegerät auslesen.

Das Fraunhofer ENAS hat im Rahmen dieses Projektes seine Expertise im Bereich der gedruckten Funktionalitäten weiter ausgebaut. Die gewonnenen Erkenntnisse stärken einerseits die Kompetenz in den Fertigungstechnologien vor allem im robotergestützten Inkjet-Druck auf 3D-Objekten als auch die Produkttechnologien der gedruckten Elektronik und Antennen.

Projekthinweise:

• Laufzeit: 01.03.2019 – 31.07.2021
• IGF-Vorhaben-Nr.: 20606 N
• Zuschussgeber: BMWi

Beteiligte Forschungseinrichtungen:

• Technische Universität Chemnitz, Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Zentrum für Mikrotechnologien ZfM, Professur Smart Systems Integration, Prof. Dr. Harald Kuhn
• Technische Universität Chemnitz, Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Institut für Automatisierung, Professur für Robotik und Mensch-Technik-Interaktion, Prof. Dr. Ulrike Thomas
• Fraunhofer-Gesellschaft e.V., Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS

Das IGF-Vorhaben 20606 N der Forschungsgesellschaft Druckmaschinen e.V. (FGD), unter dem Dach des Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM) e.V., wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschafts-forschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Weitere Informationen: https://www.enas.fraunhofer.de/

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