Studien-/Abschlussarbeit: Prozessentwicklung & Anwendung für drahtintegrierte Filamente im 3D-Druck

Die Abteilung für Funktionalisierungstechnologien konzentriert sich auf die Erforschung von Verfahren, die die Integration von Funktionalitäten in das Innere eines Bauteils ermöglichen. Dabei geht es um die Realisierung komplexer Strukturen mit integrierten Sensor-, Kinematik- und Aktorsystemen, die in Anwendungen wie Wearables, Orthesen, robotischen Strukturen und formveränderlichen Systemen eingesetzt werden. Ein zentraler Aspekt dieser Forschung ist die automatisierte Montage und mechanische Integration funktionaler Elemente wie Drähte, Litzen, Kabel, Fasern und Schläuchen auf planaren oder mehrfach gekrümmten Bauteilen. Durch die Entwicklung spezialisierter Endeffektoren wird eine präzise Platzierung und Integration dieser Komponenten ermöglicht. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung kompletter Kabelbäume, Lichtleitern, Heiz- und Kühlkreisläufe sowie von Sensoren, die nahe am Wirkpunkt auf komplexen Bauteilen positioniert sind. Die entwickelten Methoden und Technologien sind branchenübergreifend einsetzbar, unter anderem in der Automobilindustrie, bei Konsumgütern, in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik.Die wissenschaftliche Arbeit ist durch einen hohen Grad an Interdisziplinarität geprägt und umfasst das Spektrum von der Material- und Prozessentwicklung über ganzheitliche Modellierung und die Entwicklung funktionaler Modelle bis hin zur Entwicklung seriennaher Komponenten und Integrationsprozesse sowie deren Bewertung durch messtechnische Charakterisierung.

Hier sorgen Sie für Veränderung Die Arbeit erfolgt im Rahmen des Forschungsprojektes HybridFilament (HyFi). Ziel des Projektes ist die Entwicklung neuartiger Hybridfilamente mit integriertem metallischem Leiterkern, die auf konventionellen FFF-3D-Druckern verarbeitet werden können und die Herstellung elektrisch funktionalisierter Bauteile ermöglichen.Die Herstellung der Hybridfilamente wurde bereits entwickelt und befindet sich aktuell in der experimentellen Validierung. Im Mittelpunkt der ausgeschriebenen Arbeit steht daher die Untersuchung der Verarbeitbarkeit dieser Filamente im FFF-Prozess sowie die Entwicklung geeigneter Anwendungen und Demonstratoren.

Additive Fertigung und Prozessentwicklung

• Entwicklung und Optimierung geeigneter Druckparameter für Hybridfilamente mit integriertem Leiterdraht,
• Untersuchung des Einflusses von Druckgeschwindigkeit, Temperatur, Schichthöhe und Bahnbreite auf die Bauteilqualität,
• Analyse der Drahtposition innerhalb gedruckter Strukturen,
• Untersuchung von Prozessgrenzen und Fehlermechanismen bei der Verarbeitung hybrider Filamente.

Material- und Anwendungsentwicklung

• Bewertung verschiedener Polymerwerkstoffe (z. B. PLA, TPU, PC und PA) hinsichtlich ihrer Eignung für elektrisch funktionalisierte Bauteile,
• Herstellung und Bewertung anwendungsnaher Demonstratoren,
• Entwicklung von Designrichtlinien für funktionsintegrierte Bauteile,
• Untersuchung geeigneter Kontaktierungskonzepte für integrierte Leiterstrukturen.

Software und Bahnplanung

• Nutzung und Weiterentwicklung von Werkzeugen zur automatisierten Leiterbahnplanung,
• Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Leiterbahngeometrie und Druckprozess,
• Erstellung von Druckstrategien für eingebettete elektrische Leiter.

Qualifizierung und Validierung

• Charakterisierung elektrischer Eigenschaften integrierter Leiterstrukturen,
• Untersuchung von Leitfähigkeit, Kontaktwiderstand und Stromtragfähigkeit,
• Bewertung der Zuverlässigkeit gedruckter Strukturen,
• Durchführung mechanischer und elektrischer Prüfungen,
• Ableitung von Gestaltungs- und Prozessrichtlinien.

Mögliche DemonstratorenJe nach Interessenlage können unterschiedliche Anwendungen untersucht werden:

• NFC- und RFID-Strukturen,
• Flexible Sensorfolien,
• Strukturintegrierte Heizleiter,
• Kabelbaumersatz durch gedruckte Leiterbahnen,
• Weitere elektrische Funktionsstrukturen.