Les capteurs sous forme individualisée sont intéressants pour les tâches dans la technologie de l’automatisation, car ils peuvent être utilisés de manière flexible pour une variété d’applications. Les capteurs de proximité inductifs sont disponibles dans des boîtiers métalliques cylindriques dans lesquels une bobine, une carte de circuit imprimé et une fiche sont installées dans une configuration fixe – un composant standard à géométrie fixe. Dans les techniques d’automatisation, les capteurs de proximité inductifs sont utilisés en grand nombre pour la détection sans contact d’objets métalliques. Dans les applications industrielles, ils enregistrent non seulement la proximité d’un composant, mais aussi la distance à laquelle il se trouve. Toutefois, en raison de la forme des boîtiers, les capteurs de proximité inductifs destinés à être intégrés dans des environnements spécifiques – les doigts de la pince d’un bras robotique, par exemple – n’avaient pas encore été développés jusqu’à présent.
Un boîtier de n’importe quelle forme
La question s’est donc posée : Pourquoi ne pas imprimer le boîtier du capteur en plastique afin qu’il puisse être fabriqué dans n’importe quelle forme ? C’est exactement ce que vient de réaliser une équipe de recherche du Centre pour la production additive de l’Institut Fraunhofer pour l’ingénierie de la fabrication et l’automatisation IPA. L’équipe a bénéficié du soutien de collègues du fabricant de machines de transformation des matières plastiques ARBURG GmbH & Co. KG et du spécialiste des capteurs et de l’automatisation Balluff GmbH. Pour le boîtier du capteur, il fallait une matière plastique présentant une rigidité diélectrique élevée et des propriétés ignifuges. Les experts ont opté pour le plastique semi-cristallin polybutylène téréphtalate (PBT), qui est utilisé comme matériau standard de moulage par injection pour la production de boîtiers électroniques. Cependant, ce type de matériau n’avait pas encore été utilisé pour l’impression 3D, ce qui a nécessité un travail de pionnier.
Pistes conductrices avec l’impression 3D
Le plastique a été introduit sous forme de granulés dans un « freeformer », le système de fabrication additive industrielle d’ARBURG, qui utilise une unité de préparation du matériau avec une vis de plastification spéciale. Après avoir fait fondre le granulat standard, le processus de freeforming, qui n’utilise pas de moules, a suivi : Une fermeture de buse à haute fréquence a déchargé de minuscules gouttelettes de plastique, qui ont pu être positionnées avec précision à l’aide d’un support de pièce mobile.
De cette manière, la machine de freeforming a créé des composants tridimensionnels avec des cavités, couche par couche, dans lesquelles les composants peuvent être insérés pendant le processus d’impression. Pour ce faire, la machine de freeforming a automatiquement interrompu le processus à chaque couche respective, de sorte que la bobine, la carte de circuit imprimé et la fiche ont pu être intégrées très précisément. Dans un processus séparé, un distributeur a ensuite été utilisé pour produire les pistes conductrices en argent à l’intérieur du boîtier. Pour terminer le processus, il ne restait plus qu’à surimprimer les cavités et à les enrober de polyuréthane.
L’équipe a produit plus de 30 modèles de démonstration de capteurs personnalisés de cette manière, puis les a mis à l’épreuve : les composants devaient pouvoir résister aux changements de température et aux vibrations, ils devaient être étanches et passer un test d’isolation électrique. Grâce à l’optimisation du processus de conception et de fabrication, les tests ont finalement été menés à bien.
Le projet de recherche « Electronic Function Integration in Additively Manufactured Components » a duré dix-huit mois. Stefan Pfeffer, qui a dirigé le projet au Fraunhofer IPA, travaille actuellement avec ARBURG sur la recherche de la façon dont les plastiques conducteurs peuvent également être utilisés à l’avenir pour exploiter d’autres domaines d’application.
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