3D-gedruckte eingebettete Elektronik lässt diese Drohne direkt aus dem Drucker fliegen

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3D-gedruckte eingebettete Elektronik lässt diese Drohne direkt aus dem Drucker fliegen

20. Januar 2017 von Robin Mitchell


Forscher der technologischen Universität Nanyang in Singapur haben eine 3D-gedruckte Drohne entwickelt, die durch eingebettete Elektronik fast komplett flugfähig aus dem 3D-Drucker kommt.

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Die 3D-gedruckte Drohne. Bild von Nanyang Technological University

3D-Drucken und Elektronik

Die seit einigen Jahrzehnten bestehende 3D-Drucktechnologie hat sich in den vergangenen fünf Jahren nur durch die Reduzierung der Teilekosten, die Erforschung bedruckbarer Materialien und die Verbesserung der Technologie in der Branche bewährt. Gedruckte Technologie hat einige bedeutende Vorteile, trotz der längeren Herstellung eines bestimmten Teils (im Vergleich zu dedizierten Fertigungsanlagen).

Zum Beispiel kann eine Kunststoff-Spritzgießmaschine Kunststoffteile in Sekunden für Centpreise herstellen, aber nur, wenn mehrere Tausend gemacht werden. Ein 3D-Drucker jedoch verbringt 10 Stunden für die Erstellung eines Teils, die Betriebskosten pro Stück sind allerdings auch hier nur Centbeträge — ohne den Bedarf an Massenproduktion. Dies ist darauf zurückzuführen, dass 3D-Drucker keine dedizierten Maschinen sind, die nur einen bestimmten Teil erzeugen können.

Normalerweise benutzen 3D-Drucker eine bewegliche Plastikspritze, die an Orte geführt wird, wo Material vonnöten ist. Diese Köpfe extrudieren dann den Kunststoff, Schicht für Schicht, bis das gesamte Teil produziert wurde.

Obwohl diese Drucker viele Stunden brauchen, um ein Teil zu produzieren, sind sie eine der kostengünstigsten und bequemsten Formen der schnellen Herstellungstechniken mit Schwerpunkt in Prototyp-Teilen.

Stell dir das Szenario vor, in dem ein Unternehmen ein neues Produkt mit zwei Teams entwirft: Die Maschinenbauer (die für das Gehäuse verantwortlich sind) und die Elektronikingenieure (die für die interne Schaltung verantwortlich sind). Zunächst entscheidet das Elektronikteam über Abmessungen und Schraubenlöcher, die die Maschinenbauer von einem geeigneten Gehäuse nehmen und konstruieren. Auf halbem Weg durch die Entwurfsphase kann sich das Elektronikteam jedoch entscheiden, eine größere Komponente zu verwenden, was dazu führt, dass das Gehäuse nicht groß genug ist. Dieses Problem kann unbemerkt bleiben, bis das Gehäuse-Design von einem Schnellherstellungsunternehmen erhalten wurde.

Die Verwendung eines 3D-Druckers würde nicht nur die Kosten für das Prototyping reduzieren, sondern würde auch beiden Teams ermöglichen, Prototypen schneller auszuprobieren und Konstruktionsfehler einzufangen. Ich habe dieses Szenario an Orten für möglich gehalten, wo Verzögerungen und mehrere Probleme durch einen 3D-Drucker hätten vermieden werden können.

3D-Drucker eignen sich hervorragend für das Prototyping von Kunststoffteilen und Gehäusen - aber was ist mit einem kompletten Produkt? Ist es möglich, Elektronik in ein 3D-gedrucktes Design einzubetten, während es hergestellt wird? Was ist mit Designs, die es sich nicht leisten können, Lücken und Löcher zu haben? Leider sind die meisten elektronischen Verbrauchsteile für einen Temperaturbereich zwischen -40° C und 125° C ausgelegt, während 3D-Drucker bis zu 300° C heiß werden (abhängig vom Material). Dies bedeutet, dass, wenn Elektronik in einem 3D-gedruckten Design während der Druckphase platziert wurde, eine gute Chance besteht, dass die hohe Temperatur Komponenten beschädigt.

Wenn Elektronik während der Bauphase implantiert werden könnte, könnte das 3D-Drucken zu einer ernsthaften Fertigungsform für die Zukunft werden. Dies ist genau die Vision von Forschern der technologischen Universität Nanyang in Singapur.

Eine komplette Drohne

Forscher aus Singapur mussten zwei Probleme überwinden, um erfolgreich Elektronik in ein 3D-gedrucktes Gehäuse zu implantieren.

Das erste Problem, das sie überwinden mussten, war die Auswahl des Materials, aus dem die Drohne gemacht werden sollte. Das ausgewählte Material für die Drohne war ULTEM 9085, ein FDM-Thermoplast, der sich ideal für Luftfahrt-, Automobil- und militärische Anwendungen eignet. Dies gibt der Drohne ein Chassis, das ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, sowie eine starke thermische und chemische Beständigkeit aufweist.

Das zweite Problem war die Temperatur, die die Komponenten überleben mussten, die mit einem zweigleisigen Angriff gelöst wurde. Zunächst wurde kommerziell genutzte Elektronik modifiziert, um die vorübergehende Wärme während des Baus zu bewältigen. Zweitens wurden die Komponenten während bestimmter Schritte des Herstellungsverfahrens angebracht, um zu verhindern, dass die Wärme die Teile beschädigt. Die einzigen Komponenten, die nach dem Einbau des Chassis installiert werden mussten, waren (natürlich) die Motoren und die Propeller.

Die benötigte Zeit zum Bau der Drohne betrug nur 14 Stunden mit drei Unterbrechungen, um die Komponenten mit ihren hitzebeständigen Änderungen hinzuzufügen. Das Chassis (aus ULTEM 9085) kann bis zu 60 kg Gewicht aufnehmen und ist bereit, zu fliegen, sobald der 3D-Drucker fertig ist und die Motoren installiert sind.

Die Zukunft des 3D-Druckens

Diese Forschung von der technologischen Universität Nanyang weist auf eine Zukunft hin, in der Pick-and-Place-Maschinen in 3D-Drucker integriert werden können. Dies würde es ermöglichen, dass eine Schaltung aufgebaut und implantiert wird, während die Maschine auch das Gehäuse druckt. Das Ergebnis könnten Produktionslinien sein, die nahezu vollständig autonom mit sehr wenig menschlichen Eingriffen sind.

Ein Hybrid-3D-Drucker / Pick-and-Place könnte ein Desktop-Gerät sein, das nur den Benutzer benötigt, um generische Teile zu laden und in eine Design-Spezifikation zu füttern. Von dort aus könnte die Maschine alle Gehäuse konstruieren, eine Leiterplatte ausstrecken, Komponenten befestigen und dann alle Teile dort installieren, wo sie benötigt werden.

Wenn neue Materialien, die schnell gedruckt werden können, entwickelt werden, dann könnte diese Art der Technologie die gegenwärtige Methode der Massenproduktion ersetzen. Die kommerziellen Möglichkeiten, die durch 3D-Konstruktionstechnik präsentiert werden, sind potenziell riesig für Unternehmen, die alle in-house Produktionsanlagen für Prototyping einkaufen, ohne Designs an andere zu senden.

Darüber hinaus könnten Unternehmen, die keine Entwürfe an Hersteller und Produktionshäuser senden müssen, verhindern, dass Entwürfe gestohlen und reproduziert werden, was ein häufiges Problem darstellt. Genau wie bei Sonnenkollektoren, ist alles, was jetzt benötigt wird, eine weitere Kostenreduktion, so dass der Kauf eines kleinen 3D-Drucker vergleichbar mit dem Kauf eines herkömmlichen Druckers oder einem anderen häufig verwendeten Gerätes ist.