WEAM – Wire Encapsulating Additive Manufacturing

Additive Verfahren für die automatisierte Integration von Leiterbahnen

Die automatisierte Integration von Leiterbahnen ist von großer Bedeutung für die Fertigung verschiedenster Produkte. Aktuell werden bereits additive Verfahren wie das Jet-Dispensing von Leiterpasten oder das Laser Direct Structuring eingesetzt, die allerdings hohe Materialkosten aufweisen und nur geringe Leiterquerschnitte erzielen können. Die Integration eines Halbzeugs z. B. in Form eines Kabels zeigt hier Vorteile durch größere und homogenere Querschnitte. 

Wie funktioniert das WEAM-Verfahren?

Das am Fraunhofer IWU entwickelte WEAM-Verfahren (Wire Encapsulating Additive Manufacturing) basiert auf der Fused Filament Deposition und ermöglicht das vollautomatisierte Ablegen und Anbinden verschiedenster Leitungselemente auf unterschiedlichen Substraten. Dabei kommen Standard-Einzeldrähte oder Litzen zum Einsatz, die durch ein Mantelpolymer elektrisch isoliert und mechanisch angebunden werden.

Die Wahl von Polymer und Leitermaterial erfolgt flexibel und anwendungsspezifisch. Die elektrische Funktion wird durch das verwendete Leitermaterial und die aufgebrachte Geometrie bestimmt – so lassen sich Leistungsanwendungen wie Power Supply oder Heizungen, aber auch verschiedenste Sensoren, Aktoren oder Funktionselemente wie Antennen und Spulen realisieren.

Für unterschiedliche Anforderungen stehen Werkzeugköpfe zur Verfügung, die entweder Volldrähte oder Litzen ablegen können.

Unsere Forschungsschwerpunkte zur Optimierung des WEAM-Verfahrens

Dank der hohen Flexibilität des WEAM-Verfahrens und dem wachsenden Bedarf an automatisierter Elektronik eröffnen sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten – von Mikroelektronik und Sensorik bis hin zur Leistungselektronik in Fahrzeugen. Die große Bandbreite an Anwendungsanforderungen sowie die hohen Ansprüche an elektrische Funktionen, Bauteilgeometrien und Substrate erfordern ein hohes Maß an Prozessregelung und Adaption an sich verändernde Umgebungsbedingungen.

Zur kontinuierlichen Weiterentwicklung gliedern sich unsere Forschungs- und Entwicklungsziele in folgende Bereiche:

  • Featuregrößen und Dimension der bearbeitbaren Bauteile
    • Verarbeitung von Drähten Ø<0,1 mm zur Anbindung vom Mikroelektronikkomponenten in Baugruppen <5cm
    • Verarbeitung von Drähten Ø>1 mm für Leistungsleitung mit entsprechenden Anschlusskontakten in Baugruppen >1m
  • Materialauswahl von Draht, Mantel und Substrat
    • optimale, Substrat-Polymer-Kombinationen, sowie Prozessparameter für sämtliche Anwendungsanforderungen
    • Kostengünstige Leiterdrähte aus Kupfer / Aluminium für große Leitungsstrecken
    • Rechteckdrähte für hohe Leitungsdichten
    • Duromer-Leitermäntel für Hochtemperaturanwendungen
    • Textilsubstrate für hautverträgliche Wearable-Systeme
  • Prozessgeschwindigkeit und Automation
    • Entwicklung gerichteter Düsen für optimalen Materialdurchfluss
    • Anbindung an verschiedene Bewegungssysteme
    • Vereinheitlichung der Steuerung und Prozessplanung
    • Erhöhung der Ablagegeschwindigkeiten >200 mm/s
  • Prozessqualität
    • Gezielte Drahtposition innerhalb der Polymerbahn
    • Definierte, komplexe Außen- und Querschnittsgeometrien des Polymers

WEAM-Druckköpfe für eine Vielzahl unterschiedlichster Fertigungsaufgaben

WEAM printer

  • 80 x 60 x 215
  • Gewicht: <500g
  • Polymer: Thermoplast
  • separate Zuführ-/Rotationseinheit von Draht, Kühlung und Polymer im Abstand von 1,5 m zum Endeffektor (175 x 175 x 375)
  • einfache Integration in additive Fertigungssysteme

 

 

 

 

 

WEAM machine

  • 140 x 110 x 325
  • Gewicht: ca. 1 kg
  • Polymer: Thermoplast
  • integrierte Rotationseinheit, Drahtreservoir, Kühlung, Drahttrennung
  • spezialisierter Werkzeugkopf für Drahtintegration in Achssystemen und NC-Steuerung

WEAM robot

  • 125 x 230 x 300
  • Gewicht: ca. 2 kg
  • Polymer: Thermoplast oder Duroplast
  • integrierte Rotationseinheit, Drahtreservoir, Kühlung, Drahttrennung
  • Werkzeugkopf verfügt über eigene Steuerung zur autarken Verwendung mit beliebigen Robotersystemen

Unser Leistungsangebot

  • Fertigung von Musterbauteilen oder Kleinserien
  • Entwicklung anlagen- oder applikationsoptimierter WEAM-Endeffektoren
  • Anpassung des Prozesses an volatile Eigenschaften zur Sicherung konstanter Produkteigenschaften
  • Prozessdatenanalyse zur Effizienzverbesserung
  • Technologietransfer/Implementierung der Technologie in die Produktionsumgebung des Unternehmens
  • Beratung bzw. Optimierung Ihrer Prozesskette hin zu einer voll automatisierten Applikation oder Integration elektrischer Funktionen auf oder in Ihre Bauteile

Referenzprojekte

 

4D-Textil mit gedruckten elektrischen Funktionen

Eine 3D gedruckte Kunststoffapplikation auf einem vorgespannten Textil gibt diesem seine individuelle Form. Bereits während des Herstellungsprozesses können elektrische Komponenten in die Struktur integriert werden. Entspannt sich das Textil nach dem Applikationsprozess, nimmt die Komponente selbständig eine vom Anwender vorgegebene dreidimensionale, (elektrisch) funktionale Form ein.

 

Individuell gedruckte Aktorspule

Das WEAM-Verfahren ermöglicht durch die Rotationsentkopplung den Aufbau einer theoretisch unbegrenzten Anzahl an Spulenwindungen. Dank der freien Materialauswahl können wir Spulen vollautomatisiert in verschiedene Umgebungen integrieren. Die additive Komponente des WEAM-Prozesses erlaubt es, beliebige Spulenkonturen zu erzeugen, um gezielte Feldliniendichten zu erreichen.

Weitere Referenzprojekte

aus dem Bereich Funktionalisierungstechnologien

Publikationen zum Thema

Jahr
Year
Titel/Autor:in
Title/Author
Publikationstyp
Publication Type
2025 Development of a Stable Process for Wire Embedding in Fused Filament Fabrication Printing Using a Geometric Correction Model
Mauersberger, Valentin Wilhelm; Ziervogel, Fabian; Weisheit, Linda; Boxberger, Lukas; Drossel, Welf-Guntram
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2023 Harnessing length and height changes in thermoresponsive programmable materials
Chalissery, Dilip; Rümmler, Tobias; Ziervogel, Fabian; Eberl, Christoph; Pretsch, Thorsten
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 Fused Filament Fabrication of Actuating Objects
Chalissery, Dilip; Schönfeld, Dennis; Walter, Mario; Ziervogel, Fabian; Pretsch, Thorsten
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Expansion of the Fused Filament Fabrication (FFF) process through wire embedding, automated cutting, and electrical contacting
Ziervogel, F.; Boxberger, L.; Bucht, A.; Drossel, W.-G.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
Diese Liste ist ein Auszug aus der Publikationsplattform Fraunhofer-Publica

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