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Capteur imprimé en 3D créé par Fraunhofer et ARBURG

L’un des nombreux Graals de l’impression 3D est la capacité d’imprimer en 3D des articles entièrement fonctionnels en un seul processus de fabrication. Des entreprises comme Inkbit et Sakuu poursuivent un tel objectif avec leurs procédés multi-matériaux. Toutefois, il n’est peut-être pas nécessaire de recourir à des méthodes d’impression 3D entièrement nouvelles, comme les leurs, pour produire des objets fonctionnels tels que des appareils électroniques. Une équipe de recherche du Centre pour la production additive de l’Institut Fraunhofer pour l’ingénierie de la fabrication et l’automatisation (IPA) a démontré la capacité de fabriquer un capteur à l’aide d’une technique de dépôt d’un seul matériau d’ARBURG.

L’équipe du Fraunhofer IPA a poursuivi la production d’un capteur de proximité inductif directement dans son boîtier. Ces dispositifs cylindriques se composent généralement d’une bobine, d’une carte de circuit imprimé et d’une fiche dans une enveloppe métallique. Ils peuvent être utilisés pour mesurer la distance d’un objet métallique dans la fabrication industrielle et d’autres applications. Toutefois, en raison de leur forme standard, produite en série, ces capteurs ne s’intègrent pas toujours idéalement dans un environnement donné.

La possibilité d’imprimer en 3D des biens complexes et multi-matériaux présente toute une série d’avantages. Outre la réduction des étapes de travail, la fabrication additive (FA) de ces articles pourrait permettre la personnalisation de masse de l’électronique ou de géométries complexes susceptibles d’améliorer les performances de l’appareil. Par exemple, en intégrant la batterie et l’antenne d’un smartphone directement dans son boîtier en polymère, le téléphone pourrait être plus petit et plus léger, tout en augmentant la densité énergétique ou la portée de communication.

Freeformers in sizes 200-3X and 300-3X process plastic granulates, as also used in injection molding. Image courtesy of Arburg.

Les Freeformers de taille 200-3X et 300-3X traitent les granulés de plastique, également utilisés dans le moulage par injection. Image reproduite avec l’aimable autorisation d’Arburg.

Dans le cas d’un capteur de proximité, l’IPA de Fraunhofer a suggéré qu’il serait possible d’en intégrer un directement dans un préhenseur robotique pour permettre une manipulation plus intelligente des articles dans une chaîne de production. Pour démontrer cette possibilité, l’équipe Fraunhofer a travaillé avec une imprimante 3D Freeformer d’ARBURG, qui utilise une méthode brevetée pour faire fondre des granules de plastique et les déposer sur un lit d’impression, ainsi qu’avec la société d’automatisation Balluff GmbH.

Il était nécessaire pour les chercheurs d’utiliser un plastique présentant une rigidité diélectrique élevée et des propriétés ignifuges, ce qui les a conduits au plastique polybutylène téréphtalate (PBT). Si le PBT est un matériau standard de moulage par injection pour les boîtiers électroniques, il n’est pas utilisé pour l’impression 3D. Ici, ARBURG a pu démontrer l’une des forces du Freeformer, qui traite les granulés de moulage par injection plutôt que les filaments de plastique et, ainsi, a accès à une gamme de matériaux beaucoup plus large.

Fraunhofer IPA's 3D printed sensor, including coil, circuit board, and plug within plastic casing. Image courtesy of Fraunhofer IPA.

Capteur imprimé en 3D par Fraunhofer IPA, comprenant une bobine, un circuit imprimé et une prise dans un boîtier en plastique. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Fraunhofer IPA.

L’équipe a imprimé la pièce en 3D, en laissant des ouvertures dans lesquelles des composants extérieurs pouvaient être intégrés pendant le processus de fabrication. La machine était programmée pour s’arrêter là où cela était nécessaire afin que la bobine, le circuit imprimé et la fiche puissent être insérés dans la pièce imprimée. Pendant ce temps, un distributeur appliquait les pistes conductrices en argent à l’intérieur du boîtier. Une fois ces étapes terminées, le Freeformer a imprimé par-dessus les ouvertures.

Au total, Fraunhofer a créé 30 capteurs personnalisés et les a fait fonctionner dans des environnements de fonctionnement standard, démontrant ainsi leur capacité à résister aux changements de température et aux vibrations. Les dispositifs étaient en outre étanches et pouvaient passer un test d’isolation électrique. Le projet, baptisé « Electronic Function Integration in Additively Manufactured Components », a duré 18 mois et l’équipe travaille désormais avec ARBURG pour explorer d’autres utilisations des plastiques conducteurs.

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