Additive Fertigung Smarter Metall-Fingerring mit integriertem Chip entwickelt

Forscher haben einen smarten Fingerring mit einem integrierten RFID-Chip entwickelt – mittels einem bisher einzigartigen 3D-Druckverfahren mit automatisierter Elektronikintegration.

Wo steckt nur wieder der Haustürschlüssel – hat man ihn im Büro liegen gelassen? Und möchte man an der Supermarktkasse das Portemonnaie zücken, artet auch dies oftmals in einem hektischen Gewühle in der Einkaufstasche aus, da sich das gesuchte Stück mal wieder ganz unten befindet. Ein smarter Fingerring könnte solchen Suchaktionen künftig ein Ende bereiten: In seinem Inneren verbirgt sich ein RFID-Tag, mit dem man an der Kasse bezahlen, die smarte Haustür öffnen, die Gesundheitskarte beim Arztbesuch oder die Schlüsselkarte im Hotel ersetzen kann. Denkbar wäre auch, Gesundheitsdaten wie die Blutgruppe oder Medikamentenunverträglichkeiten darauf zu speichern: Im Falle eines Unfalls hätte der Notarzt umgehend die nötigen Infos zur Hand. Hergestellt über ein 3D-Druckverfahren ist in dem Ring ein RFID-Chip eingebaut. Natürlich lässt sich die Integration von Elektronik während des 3D-Drucks auch für andere Anwendungen nutzen.

Entwickelt wurde der Ring von einem Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik (IGCV) im Projekt Multimaterial-Zentrum Augsburg. Das vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie geförderte Großprojekt ist in zehn Einzelprojekte gegliedert – darunter das Projekt Kinematam, das die Idee und den Demonstrator des smarten Teils liefert.

Übertragung von elektromagnetischen Signalen durch Metall

Einer der Entwicklungsschwerpunkte lag in der Übertragung der elektromagnetischen Signale des RFID-Chips durch Metall. Üblicherweise schirmt Metall die Signale stark ab. Das Forscherteam hat zahlreiche Simulationen und Experimente durchgeführt – und eine passende Lösung gefunden. Eine Frequenz von 125 Kilohertz: Sie hat zwar eine geringere Reichweite, wird aber weniger durch das Metall abgeschirmt. Zudem ist der Tag so angebracht, dass die Signale nur einen Millimeter Metall durchdringen müssen.

Eine große Rolle für die Signalausbreitung spielt auch die Ausgestaltung der Kavität und die Einbettung der Elektronik darin, da die Wände die Signale reflektieren oder absorbieren können. Weitere Herausforderungen lagen darin, die empfindliche Elektronik der RFID-Tags vor den über 1000 Grad Celsius hohen Temperaturen des Fertigungsprozesses zu schützen.

Automatisiertes Verfahren zur Elektronikintegration

Das Prinzip des Herstelllungsverfahrens beruht auf der pulverbettbasierten additiven Fertigung: Ein Laserstrahl wird über ein Bett aus feinem Metallpulver geführt. Dort, wo der Laserspot auf das Pulver trifft, schmilzt es auf und erstarrt zu einem Materialverbund – das restliche nicht belichtete Metall bleibt pulverförmig. Schicht für Schicht wird der Fingerring mit einer Aussparung für die Elektronik aufgebaut. Mittendrin wird der Prozess angehalten: Ein Robotersystem nimmt automatisch eine RFID-Komponente aus einem Magazin auf und platziert sie in der Aussparung, bevor der Druckprozess weitergeht. So kann während der Produktion eines Bauteils Elektronik integriert werden - auch an Stellen, die sonst unzugänglich wären.

Die steuerbare Fertigung ermöglicht individualisierte Ringdesigns. Zudem ist der Chip durch den Ring versiegelt und somit fälschungssicher. Das Hauptaugenmerk bei der Entwicklung des Herstellungsverfahrens lag vor allem darin, die Laserstrahlschmelzanlage um das selbst entwickelte, automatisierte Verfahren zu erweitern, das die Elektronik platziert.

Anwendung auch in der Industrie denkbar

Die Technologie lässt sich überall dort einsetzen, wo sich die Integration von Elektronik auf herkömmlichem Weg schwierig gestaltet. Derzeit arbeiten die Forschenden beispielsweise an einer Anwendung im Bereich der Produktionstechnik: Sensoren werden in Zahnräder eingebaut, wo sie während des Betriebs Informationen zum Lastzustand, den Temperaturen an verschiedenen Positionen und andere wichtige Parameter drahtlos an eine Auswerteeinheit senden sollen.

An der gemessenen Vibration lassen sich beispielsweise Schäden erkennen. Die nötige Energie erhalten die integrierten Sensoren über eine gedruckte RFID-Antenne auf der Außenseite – die Sensoren arbeiten passiv, sprich ohne Batterie oder eigene Stromversorgung. Mit den integrierten Sensoren lässt sich somit zukünftig eine Überwachungsmöglichkeit realisieren, die aufgrund der schnellen Rotation der Zahnräder ansonsten kaum umsetzbar wäre.

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