Skalierbares Fertigungswerkzeug für die Automobilindustrie

Linear-axis robot driven inkjet printing of direct-to-shape thin-film electronics

Abstract: The goal of this article is to present the development of a scalable additive manufacturing tool, which is currently being developed as a prototype using a linear motion-based robotic automation system. This tool will enable printed electronics and other functionalities to be applied on numerous 3D components for the automotive industry, thereby equipping them with lightweight features such as circuit traces, sensors, antennas, etc.

1 Digitale Fertigungswerkzeuge: Adressierbarkeit und Anwendungsbereich

Das Hauptziel des KMU-innovativ/Eureka SMART-Projekts „SD3DE“ besteht darin, ein skalierbares Werkzeug für die additive Fertigung zu entwickeln, welches auf einem Roboter-Automatisierungssystem mit Linearbewegung basiert. Damit lassen sich gedruckte Elektronik und andere Funktionen auf zahlreiche mechanische 3D-Bauteile aufbringen, wodurch diese mit Signal- und Energieübertragung (strukturelle leitfähige Elemente), Sensortechnik (Verformung/Dehnung), Aktivierungen (Erwärmung), drahtloser Kommunikation (Antennen) und Oberflächenmodifikation (Lichtstreuungseffekte) ausgestattet werden. Darüber hinaus bietet die Einbettung einer gedruckten, funktionalisierten Dünnschicht auf nicht-planaren Oberflächen mechanischer Komponenten die Möglichkeit, SMART-Funktionen in die Anwendungsumgebung zu integrieren, z. B. Zustandsüberwachung, prädiktive Wartung, Aufzeichnung von Betriebsparametern, Optimierung von Prozessabläufen, Fehlerbehebung usw. Die präzise Integration eingebetteter Elektronik in eine 3D-Oberflächentopologie ist zwar mit herkömmlichen Technologien möglich, jedoch mit hohem Aufwand verbunden und teilweise nicht realisierbar. Durch die Verwendung additiver und nachhaltiger Fertigungsschritte mit einem hohen Freiheitsgrad wird der Herstellungsprozess jedoch flexibel und anpassungsfähig an verschiedene Formen, Größen und Geometrien. Außerdem werden die 3D-Komponenten mit neuen Funktionalitäten ausgestattet, die sich auf die verschiedenen Anwendungsumgebungen abstimmen lassen. In der deutschen und europäischen Industrie, u.a. in den Bereichen Automotive, Weltraumforschung und Energiegewinnung, besteht eine hohe Nachfrage nach integrierbarer, eingebetteter Elektronik (Sensoren und Aktoren: Feuchtigkeit, Temperatur, Verformung, mechanische Fehler, Heizung, Kühlung, Informationsübertragung usw.). Diese wird speziell von außereuropäischen Unternehmen für die Realisierung von maßgeschneiderten mechanischen Bauteilen angeboten, bei denen die Integration der Sensorik erst später und separat erfolgt. Die Integration und Einbettung der Elektronik in das mechanische Teil und die anschließende Rückkopplung der Sensorreaktion sind sehr kritisch und zusätzlich aufwändig. Es ist logisch, ein auf Digitaldruck basierendes Automatisierungssystem mittels Linearroboter in Deutschland zu entwickeln, welches den europäischen Markt unterstützt, um der Nachfrage nach dem Aufbringen aktiver und passiver Dünnschicht- und konformer Elektronik direkt auf das vorgesehene mechanische Teil aus den verschiedenen Industriezweigen gerecht zu werden (Grundlagentechnologie Thalheim et al. [1]). Daher ist die Entwicklung eines industrierelevanten innovativen Herstellungsprototyps, der mechanische Bauteile und Komponenten direkt (mit gedruckten elektronischen Schichten) funktionalisieren kann, ein Forschungsschwerpunkt des Projekts SD3DE. Schließlich sollen der Produktionsprozess, das mechanische Bauteil und das kommerzielle Produkt intelligent werden. Aufgrund dieser Vorteile kann die Funktionalisierung der 3D-Bauteile mit Drucktechnologien (Elektronik und Oberflächenmodifikation) leicht modular innerhalb oder zwischen konventionellen Produktionsschritten erfolgen. Das neue Herstellungswerkzeug von der Automationstechnik Schüller GmbH soll Vorteile wie Flexibilität im Arbeitsablauf, maximale Funktionalität, breite Zugänglichkeit und Reichweite, niedrige Investitionskosten und vor allem modulare Vielseitigkeit bieten. In einem ersten Schritt wird der Prototyp die Aufbringung gedruckter Dünnschichtschichten auf verschiedene 3D-Bauteile im kleinen bis mittleren Maßstab demonstrieren, um dessen Funktionsfähigkeit im Hinblick auf unterschiedliche Anforderungen validieren. Im Rahmen des Projekts werden die Ergebnisse, d. h. der Herstellungsprozess und das Tool für die Endanwendung (Temperaturmessung, Dehnungsmessung, Heizung und Beleuchtung in den Bereichen Automobil und Brennstoffzellen), gemeinsam mit den portugiesischen Konsortialpartnern INEGI (FuE-Institut, Portugal) und Mechanidraulica (KMU, Portugal) sowie den deutschen Partnern, Automationstechnik Schüller (ATS), Fraunhofer ENAS und ARI Motors GmbH, national und international verbreitet.

2 Spezifikationen für Endanwendungen und das Herstellungsprozesswerkzeug

2.1 Implementierung gedruckter elektronischer Anwendungen für industrielle Endanwendungen

Die Ladefläche des Modells des Elektroautos ARI 458 und der Bereich des Batteriepacks sind die Zielbereiche, in denen die mechanischen 3D-Komponenten funktionalisiert werden sollen. Der Fokus liegt auf der Abdeckung und der Halterungen für das Batteriepacks auf Polymerkompositbasis sowie auf Konstruktionsplatten auf Kunststoffbasis, welche die Ladefläche des Fahrzeugs bilden. Die Funktionalisierung der mechanischen 3D-Bauteile umfasst das Konzept der Integration gedruckter elektrischer Komponenten mit folgenden Zielen: Die Überwachung der Temperatur des Batteriepacks und Konditionierung der Betriebsbereitschaft der Batterie durch punktuelle Erwärmung bei niedrigen Umgebungstemperaturen, was zu einer längeren Lebensdauer der Batterie und einer größeren Reichweite des Fahrzeugs führt. Im zweiten Fall ist geplant, die Bedingungen im Laderaum des Fahrzeugs im Hinblick auf die Temperaturauswertung im Kühlfach zu überwachen und die Kühlung zu aktivieren bzw. zu deaktivieren und dementsprechend ein Registerprotokoll zu erstellen, was für Kunden mit Anwendungsfall Consumer-Logistik sehr wichtig sein wird. Das dritte Ziel ist die Entwicklung und Umsetzung eines platzsparenden, maßgeschneiderten und effizienten Beleuchtungskonzepts zur Ausleuchtung des Kühlraums, insbesondere wenn das Fahrzeug nicht tagsüber, sondern in der Dunkelheit eingesetzt wird. Der vierte Anwendungsfall der portugiesischen Konsortialpartner betrifft die Realisierung von mechanischen Stress-/Strain- und Drucksensoren am Befestigungsmechanismus einer Brennstoffzelleneinheit.

Es wurden mehrere kunststoffbasierte (Schaumstoff Sandwichplatten, Wärmestrukturplatten) und lackierte metallbasierte Bauplatten analysiert, die die Ladefläche und das Kühlgehäuse eines Elektrofahrzeugs bilden. Zudem wurden metallbasierte leitfähige Tinten getestet, um ihre Kompatibilität mit Verbundwerkstoffen und Automobilkomponenten zu überprüfen und Sensoren sowie leitfähige Strukturen (Beleuchtungskonzepte) mit optimalen Parametern entwickelt, die für den Fertigungsprozess geeignet sind. Die Validierung der Herstellungstechnologie für gedruckte Sensoren für das Automobilbauteil wurde erfolgreich abgeschlossen. Hier wurde der wissenschaftliche Schwerpunkt auf die Bewertung der Funktionalität der Sensoren gelegt, die direkt auf das Automobilbauteil gedruckt werden, um eine Temperaturänderung von -30°C bis +60°C zu messen. Auch die Funktionsstabilität der Sensoren wurde im Laufe der Zeit charakterisiert, indem über 10 Temperaturzyklen mit einer Dauer von 65 Stunden durchgeführt wurden. Auch hier wurde die Funktionsfähigkeit der Sensoren mit Sensitivitäten zwischen 0,3 Ω/°C und 2,1 Ω/°C, abhängig von der Sensoranordnung, validiert. Die Sensoren zeigen eine lineare elektrische Reaktion mit hoher Wiederholgenauigkeit und Genauigkeit in Abhängigkeit von Temperaturänderungen, wie aus den Ergebnissen hervorgeht, die in dem wissenschaftlichen Artikel von Mitra et al. [2] veröffentlicht wurden.

Darüber hinaus wurde die Möglichkeit des Druckens von Leiterbahnen und der Integration von LEDs in die Leiterbahnen erweitert. Zu diesem Zweck wurden sowohl verschiedene Arten von Kunststoffplatten für die Automobilbranche (Ladefläche) als auch eine einfache Kunststofffolie (aus PET) verwendet. Der Schwerpunkt der Untersuchung war, die Leuchtfähigkeit der LEDs in Bezug auf die elektrische Parallelschaltung und den bereitgestellten elektrischen Eingangsstrom. Direkt auf den Automobilteilen (Kunststoff-Montageplatten für die Ladefläche) konnte das Beleuchtungskonzept mit LEDs entwickelt werden. Bei Verwendung der erforderlichen elektrischen Spezifikation stellte sich heraus, dass die LEDs Wärme erzeugen und hohe Temperaturen erreichen (200 ± 50 °C), was zu diesem Zeitpunkt ein großer Nachteil war. Durch die Optimierung des Drucklayouts, die Anpassung der elektrischen Parallelschaltung, die Auswahl der richtigen leitfähigen Tinten und die Implementierung der optimalen Herstellungsparameter war es möglich, ein gut leuchtendes Ari Motor Signatur Beleuchtungskonzept zu erzielen, welches in Bild 1 abgebildet ist.

Die Entwicklungsarbeiten werden weitergeführt und der Fertigungsprozess direkt auf die Metallkomponente für die Automobilindustrie von Ari-Motors ausgeweitet. Der Forschungsschwerpunkt liegt auf der Vorbeschichtung der Metallplatte, der Entwicklung und Umsetzung größerer Beleuchtungskonzepte sowie der anschließenden elektrischen Isolierung als abschließenden Schritt.

Gedruckte Heizelemente wurden untersucht, um ihre Integrationsmöglichkeit direkt am Automobilteil aus Polycarbonat-Verbundwerkstoff zu evaluieren. Der Erwärmungseffekt wurde durch Variation der elektrischen Eingangsparameter sowie der Wärmeerzeugung und -verteilung charakterisiert. Es war möglich, die Erwärmung auf dem Zielsubstrat mit Temperaturen zwischen 60°C und 80°C bei einer Eingangsleistung von nur 5 Watt zu aktivieren, was die Funktionsvalidierung der gedruckten Heizelemente (gute Wärmeverteilung) in der praktischen Endanwendung von Batteriepacks in Elektrofahrzeugen demonstriert. Eine kleine Darstellung der Ergebnisse ist in Bild 2 zu sehen.

Ein weiterer wichtiger Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung einer Kombination aus Sensoren und Aktoren. In unserem Fall würde dies die Entwicklung individueller gedruckter Komponentenarchitekturen und elektronischer Designs umfassen, die in der Lage sind, Temperaturen zu messen und Oberflächen sowie Volumenbereiche nach Bedarf zu erwärmen. Dies könnte in das Batteriegehäuse des Fahrzeugs von Ari Motors integriert werden. Darüber hinaus war die Zusammenarbeit mit Mecanidraulica und INEGI (unseren portugiesischen Partnern) eine weitere wichtige Aufgabe. Die Partnerschaft wird im Hinblick auf die Herstellung gedruckter funktioneller Elemente für Prototypen mechanischer Komponenten und die Demonstration von Sensortechnologie für Brennstoffzellenanwendungen ausgebaut. Damit wird / soll deren Effizienz durch adaptive Festigung der Brennstoffzellenbaugruppe gesteigert werden.

2.1.1 Technische Beschreibung der Herstellungsvorrichtung für den Inkjet-Druck mit Linearachsen-Robotik

Für die Entwicklung eines digitalen Herstellungsprozesswerkzeugs auf Basis von Linearachsen-Robotik, das speziell für das Aufbringen gedruckter Dünnschichten mittels Inkjet-Drucktechnologie vorgesehen ist, ist es im Rahmen des Projekts von großer Bedeutung, eine Reihe von technischen Anforderungen auf der Grundlage der Endanwendungsfälle zusammenzustellen. Hierfür wurden die technischen Spezifikationen des mechanischen 3D-Bauteils analysiert und in dem Dokument „Anforderungsdefinition für digitale Herstellungssysteme“ definiert. Dieses verdeutlichte, dass bestimmte Schwankungen bei Parametern und Werten von entscheidender Bedeutung sind. Dazu gehören z. B. (a) das Material des Demonstrationsstücks (Metall, Polyurethan, Polyimid, beschichtetes Aluminium usw.), (b) das Volumen des zu funktionalisierenden Zielobjekts (0,005 – 0,663 m³), (c) das Gewicht (1 – 5 kg), (d) komplexe Formen, (e) die Kompatibilität von Vor- und Nachbehandlung sowie die Durchführung der Fertigungsschritte, (f) die erforderliche elektrische Verbindung nach dem Verbindungsschritt und (g) ob die Verarbeitung eine Temperaturregelung erfordert. Das so konzipierte Herstellungswerkzeug musste daher den folgenden technischen Spezifikationen entsprechen, z. B. (a) eine Linearachsenbewegung und ein Subsystem, welches eine Beschleunigung von 100 mm/s² bietet, (b) eine Hauptspannungsversorgung des Werkzeugs mit 400 V Wechselstrom, (c) eine individuell angepasste Versorgungsspannung und Strom für alle Subsysteme (u.a. Treiberplatinen, Inkjet-Druckkopftechnologie, Spannungsquelle für Tintenversorgung, Steuerung und Pumpen), (d) Integration einer 6,3-bar-Druckluftversorgung, (e) Einbeziehung von Ethernet-CAT- und Ethernet-IP-Anschlussversorgungen, (f) erforderliche Eingangssignale 5 V TTL und 24 V digitale I/O , und (g) erforderliche Ausgangssignale, d. h. Encoder 24 V digitale I/O.

Im nächsten Schritt wurde das Bewegungssystem unter Verwendung eines Drehsystems entwickelt, das aus einer Montageplatte für die Linearachse (Z-Bewegung), einer Dreheinheit (A-Achse) und einer Schwenkeinheit (20° Schwenkwinkel, C-Achse) bestand. Das Rotationssystem umfasst den Druckkopf, die Tintenzufuhr, die Steuerplatine sowie die synchronisierten Motoren, die die oben genannten Bewegungen ausführen. Die Achsenbewegung des Herstellungswerkzeugs basiert auf einer attributgesteuerten Bewegung, wodurch die Bewegungen der X- und Y-Achse mittels G-Code ausgelöst werden. Andererseits wird die Steuerbarkeit der Z-Bewegung, der Schwenkbewegung und der Drehung im Wesentlichen durch flächenabhängige Eigenschaften (die mithilfe von Sensoren erfasst bzw. gelernt werden können) erreicht, die mit den Eigenschaften der Oberfläche des mechanischen 3D-Teils zusammenhängen. Diese Attribute lösen die Anpassung der Koordinaten aus, wodurch die lineare Achse eine komplexe Bahn abfahren kann, wobei der Abstand zwischen dem Werkzeugmittelpunkt und der Substratoberfläche konstant bleibt. Für die Konstruktion und Integration des Werkzeugsystems wurde eine Softwarelösung im Zusammenhang mit der G-Code-App eingesetzt. Bei der ursprünglichen Planung für den Einsatz der G-Code-App zur Bewegungssteuerung mussten folgende Voraussetzungen erfüllt werden: ein G-Code-Interpreter mit Bewegungssteuerung in der speicherprogrammierbare Steuerung SPS (Programmable Logic Controller „PLC“), Flexibilität beim Aufbau der Achsen, Steuerung von Peripheriegeräten und Werkzeugen (z. B. Temperaturregelung) sowie die Fähigkeit, auf verschiedenen Systemen zu laufen. Die Lösung in diesem Zusammenhang wurde durch die Nutzung der schnellen und effizienten Textverarbeitung der Python-Software erreicht. Hier konnten geeignete Programme geschrieben, simuliert und für eine effiziente Maschinensteuerung mittels SPS unter Verwendung von strukturiertem Text eingesetzt werden. Nicht zuletzt konnte auch eine flexible Visualisierung mithilfe der Einheit NodeRed erreicht werden, die in dieser Hinsicht einen einfachen Zugriff auf die Datenebenen ermöglicht. Durch die Kombination aller theoretischen und praktischen Versuche auf Maschinen-, Software- und Systemebene wurde ein Demonstrations-Testsystem entwickelt, das in Bild 3 dargestellt ist.

Der nächste Schritt besteht darin, den Druckkopf und alle erforderlichen Peripheriekomponenten, die für den Druck auf dem linearen Roboterwerkzeug zuständig sind, zu installieren sowie den Druck auf 3D-Bauteilen zu demonstrieren. Zudem wird die Funktionalisierung der 3D-Bauteile mit Dünnschichtelektronik präsentiert.

3 Ausblick

Durch den Einsatz unserer maßgeschneiderten Integrationslösungen mit Inkjet- und Linearachsen-Robotik überholen wir den „Stand der Technik“, da zeitaufwändige, mehrstufige Prozesse durch hochpräzise Bestückungsverfahren oder Transfertechniken ersetzt werden können. Dies bringt enorme Vorteile für die Montage von Elektronik auf mechanischen 3D-Bauteilen mit sich. Die Anwendung von Dünnschichtelektronik auf 3D-Bauteile bietet eine intelligente Technologie zur Herstellung kundenspezifischer Teile mit elektronischer/elektrischer Leistung, die speziell auf Bauteilmodelle und -designs zugeschnitten ist. Weitere Vorteile können die Nutzung von Freiform-Modifikationen, späte und interne Integration, leichte Elektronik und strukturelle Montage sowie anwendungsspezifische elektronische Anpassungen sein. Da es sich beim SD3DE-Prototyp um eine additive Technologie handelt, würde dies die Vision eines umweltfreundlichen Herstellungssystems fördern, das auf der Reduzierung von Abfallstoffen und der Einführung einer nachhaltigen Wertschöpfungskette für die Fertigung basiert.

Förderhinweis: Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Programm „Zukunft der Wertschöpfung – Forschung zu Produktion, Dienstleistung und Arbeit“ (Förderkennzeichen 02P22K072) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

Danksagung: Das Autorenteam bedankt sich beim BMFTR und dem Projektträger PTKA für die Förderung und die Möglichkeit, das Projekt SD3DE im Rahmen des Programms „KMU-innovativ“ durchzuführen (Laufzeit: 01.07.2023–30.06.2026).

Literatur

[1] Dissertation Thalheim R.: Bibliothek der Technischen Universität Chemnitz, 2025. https://doi.org/10.60687/2025-0002
[2] Mitra, K. Y.; Mitra, D.; Buchecker. G.; Thalheim. R.; Kuwatsch. T., Schüller, M.; Zichner, R.: Sensors and Actuators: A. Physical 398 (2026) 117303, 1-12 https://doi.org/10.1016/j.sna.2025.117303

Autoren:

Dr.-Ing. Kalyan Y. Mitra
kalyanyoti.mitra@enas.fraunhofer.de

Dana Mitra, M. Sc.
dana.mitra@enas.fraunhofer.de

Georg Buchecker, M. Eng.
georg.buchecker@enas.fraunhofer.de

Dr.-Ing. Robert Thalheim
robert.thalheim@enas.fraunhofer.de

Prof. Dr.-Ing. Ralf Zichner
ralf.zichner@enas.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS
Technologie-Campus 3, 09126 Chemnitz
http://www.enas.fraunhofer.de

Dipl.-Ing. Martin Schüller
martin.schueller@schueller-at.de

Tommy Stephan
tommy.stephan@schueller-at.de
Automationstechnik Schüller GmbH
Friedrich-Oskar-Schimmel-Str. 13a, 09120 Chemnitz
https://www.at-schueller.de/

Thomas Kuwatsch
kuwatsch@ari-motors.com
ARI Motors GmbH
Lausicker Str. 20, 04552 Borna
https://ari-motors.com