Fraunhofer print elektrische bedrading rechtstreeks in 3D componenten

Het Fraunhofer IWU heeft een volgende stap gezet in functionele additieve productie: met de techniek Wire Encapsulating Additive Manufacturing (WEAM) kunnen standaard metalen draden en kabels tijdens of direct na 3D-printen in componenten worden geïntegreerd — een stap ten opzichte van paste-, inkt- of poedergebaseerde geleiders qua prestaties, robuustheid en designvrijheid.

De kern van WEAM is dat in plaats van geleidende structuren op te bouwen via laag-voor-laag inkt of pasta, een echte standaard metaaldraad of kabel wordt ingebracht (met homogeen legering en constante doorsnede) en vervolgens door een passende printkop wordt omgeven met kunststof of thermoplastisch materiaal. Daarmee ontstaan functionele sensoren, verwarmingselementen, elektrische of datalijnen, en zelfs spoelen, direct geïntegreerd in of op een structureel component.

Voorbeelden:

• Thermisch resistente flex‑structuren tot circa 260‑300 °C, PFAS‑vrij, waarbij geleider en substraat uit hetzelfde materiaalsysteem bestaan — dit vermindert materiaaldiversiteit en vergroot recycleerbaarheid.
• Een verwarmingselement in een radome‑folie: verwarmingsgeleiders werden direct aangebracht op een film, waarna deze werden gevormd en in een onderdeel ingebracht, zonder delaminatie bij nabewerkingen zoals back‑injection moulding.
• Een ultradunne flexibele printplaat: op een folie van thermoplastisch polyurethaan (TPU) werd een koperbaan van 0,1 mm diameter aangebracht via WEAM, en deze folie is vervolgens 3D‑vormbaar en uiterst flexibel — iets wat met conventionele flex of stretch PCBs via inkt/pasta nauwelijks haalbaar is.

Voor engineering‑professionals en producenten opent deze technologie meerdere strategische en technische kansen:

• Door de integratie van elektrische functies in structurele componenten kunnen kabelbomen, losse printplaten of externe modules worden gereduceerd of zelfs geëlimineerd. Dit leidt tot verminderde assemblagekosten, minder kwetsbare aansluitingen en potentieel lagere gewichten.
• Designvrijheid neemt sterk toe: geleiders, sensoren of spoelen kunnen op en in complexe 3D‑gevormde oppervlakken liggen, ook op folie of textiel, waardoor toepassingen zoals wearables, binnenhuisverwarmingselementen, automotive intramodule wiring of drone‑behuizingen met geïntegreerde sensoren realiseerbaar worden.
• Materiaal‑ en recyclagevoordelen: door gebruik van dezelfde of compatibele polymeren voor substraat en coating ontstaat één materiaalsysteem – dit vereenvoudigt later recycling of herverwerking. Ook worden temperatuur‑ en mechanische belastbaarheid vergroot.
• Voor de kunststof‑ en rubberindustrie geldt dit: leveranciers van kunststofcomponenten, smart surfaces of mechatronische systemen krijgen hiermee nieuwe markten.

Hoewel veelbelovend, zijn er ook aandachtspunten voor implementatie:

• Kwalificatie van het integratieproces (adhesie, hechting, betrouwbaarheid onder cyclische belasting) moet worden geborgd voordat grootschalige productie kan plaatsvinden.
• Het materiaal‑ en ontwerpteam moet rekening houden met geschikte legeringen, draad­diameters, geometrie van geleiderbanen én compatibiliteit met polymeren m.b.t. verwerkbaarheid, temperatuur en mechanische belasting.
• Processystemen (printkoppen, robotica, 6‑assige systemen) moeten optimaal ingericht zijn op de exacte integratie: draadfeeding, encapsulatie, verwerkbaarheid met daaropvolgend overmoulden of vormen.
• Economische schaalbaarheid: voor serie‑productie moeten procesvensters stabiel zijn, oppervlaktes kunnen worden gekwalificeerd, en testconcepten voor elektrische en mechanische functies over de levensduur moeten aanwezig zijn.