Mit dem WEAM-Verfahren steht eine drahtbasierte Methode des 3D-Drucks zur Verfügung, mit der sich elektrische Funktionen direkt in Bauteile integrieren lassen. Entwickelt am Fraunhofer IWU, nutzt Wire Encapsulating Additive Manufacturing Standarddrähte mit definierten Legierungen und konstantem Leiterquerschnitt, um elektrische Leitungen, Sensorik und Abschirmungen präzise und reproduzierbar in additiv gefertigte Strukturen einzubringen.
Der Ansatz unterscheidet sich grundlegend von pasten-, tinten- oder pulverbasierten Druckverfahren. Durch die gezielte Wahl von Legierung, Leiterdurchmesser und Leiterbahnlayout lassen sich mit WEAM elektrische Eigenschaften exakt einstellen, sodass sowohl sensorische Funktionen als auch leistungs- und lasttragende Anwendungen direkt im Bauteil realisiert werden können.
Drahtbasiertes Verfahren der additiven Fertigung
WEAM basiert auf der Verarbeitung von Standarddrähten und -litzen, die während des additiven Prozesses gezielt positioniert und kunststoffummantelt werden. Durch die homogene Legierung und den konstanten Leiterquerschnitt dieser Drähte entstehen reproduzierbare elektrische Eigenschaften, die sich deutlich von gedruckten Leiterstrukturen aus Pasten, Tinten oder Pulvern unterscheiden. Die präzise Führung der Leiter wird durch eine Endlosrotation des Werkzeugs unterstützt, wodurch auch komplexe Leiterbahnlayouts sicher realisiert werden können.
Die elektrischen Eigenschaften lassen sich bei WEAM gezielt über mehrere Parameter einstellen. Neben der Auswahl der Legierung spielen der Leiterdurchmesser sowie das Layout der Leiterbahnen eine zentrale Rolle. Dadurch können Leistungs- und Datenleitungen ebenso umgesetzt werden wie integrierte Sensorik oder elektromagnetische Abschirmungen. Elektrische Funktionen lassen sich direkt auf bestehende Bauteile aufbringen oder in nachfolgenden Prozessschritten unsichtbar integrieren.
WEAM für integrierte Heizfunktionen in Radomen
Ein zentrales Anwendungsfeld von WEAM ist die Integration von Heizleitern in Radome, also wetterfeste Schutzhüllen für Radar- und Sensoriksysteme. Diese Bauteile müssen unter extremen Witterungsbedingungen eisfrei bleiben, um die zuverlässige Funktion der Sensorik sicherzustellen. Konventionelle Lösungen mit Heizfolien oder eingebetteten Drähten erlauben jedoch nur begrenzte Umformungen und schränken damit die Designfreiheit ein.
Im WEAM-Verfahren wurden Heizleiter direkt auf eine Folie aufgebracht, die anschließend umgeformt und in das Bauteil integriert wurde. Der Draht verbleibt auch nach dem Hinterspritzen exakt an seiner Position, ohne Funktionsverluste oder Delamination. Der Materialverbrauch ist gering, dennoch lässt sich eine hohe Heizleistung erzielen. Solche integrierten Heizdrähte ermöglichen eine energieeffiziente Enteisung und eröffnen Einsatzmöglichkeiten in Automobilen, Flugzeugen, Drohnen sowie in industriellen Anwendungen mit autonomen Systemen.
Hochflexible und 3D-formbare Platinen
WEAM erlaubt die Applikation komplexer Leitungslayouts auf sehr dünnen thermoplastischen Polyurethan-Folien. Leiterbahnen können vollständig oder partiell kunststoffummantelt ausgeführt werden, abhängig von den jeweiligen elektrischen Anforderungen, etwa hinsichtlich der Durchschlagfestigkeit. Für Kontaktierungen kann auf die Ummantelung verzichtet werden, während sich kreuzende Leitungen dennoch elektrisch isoliert bleiben.
Das eingesetzte TPU vereint Umformbarkeit und chemische Beständigkeit mit hoher Elastizität und Flexibilität. Die so hergestellten Platinen vertragen starke dreidimensionale Verformungen, bei denen herkömmliche Flex- oder Stretch-Platinen mit gedruckten Leiterbahnen bereits versagen. Darüber hinaus können unterschiedliche Legierungen und Layouts auf einer Fläche kombiniert werden, um Sensorik, Aktorik sowie Leistungs- und Datenleitungen auf der Folienebene zu integrieren.
WEAM und PFAS-freie Hochtemperatur-Flexleiter
Mit WEAM lassen sich thermoplastische Flexleiter und Platinen herstellen, die Temperaturen bis 260 °C und kurzfristig bis 300 °C standhalten. Bisher waren solche Temperaturbereiche im Wesentlichen Polyimid-basierten Lösungen vorbehalten, die mit fluorhaltigen Beschichtungen arbeiten, um metallische Leiter zu fixieren. WEAM kommt ohne diese Beschichtungen aus, da der Leiter mit demselben Material wie das Foliensubstrat fixiert wird.
Aus dieser Artgleichverbindung ergeben sich mehrere Vorteile. Der Leiter bleibt auch bei hohen Biegebeanspruchungen mechanisch stabil, während der Materialeinsatz für die elektrische Isolation gering gehalten wird. Gleichzeitig verbessert sich die Recyclingfähigkeit durch die Sortenreinheit der eingesetzten Materialien. Damit stellt WEAM eine nachhaltige Lösung für Hochtemperaturanwendungen dar, etwa im Motorraum von Fahrzeugen, in der Luftfahrt, im Maschinenbau oder in der Robotik.
Funktionale Bauteilgehäuse durch WEAM
Am Beispiel eines Drohnengehäuses zeigt WEAM, wie sich elektrische Funktionen direkt in tragende Strukturen integrieren lassen. Das Gehäuse übernimmt dabei selbst Aufgaben einer Platine oder wird umgekehrt zur funktionalen Erweiterung dieser. Sensorik, Aktorik, elektromagnetische Abschirmungen oder induktive Ladespulen können direkt in das Bauteil eingebracht werden, um Energieübertragung und Schutzfunktionen zu optimieren.
Ein besonderer Vorteil liegt in der Gestaltung elektromagnetischer Abschirmungen, die nicht mehr an feste Maschenweiten gebunden sind und ihre Schutzwirkung auch bei komplexen Geometrien beibehalten. Solche funktionalen Gehäuse bieten Mehrwert in zahlreichen Anwendungen, von robusten Powertools und Outdoor-Elektronik über kompakte Consumer-Produkte bis hin zu kostengünstigen, lokal gefertigten Lösungen im Verteidigungsbereich.