Am Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV ist ein intelligenter Fingerring entwickelt worden, der die Suche nach dem Haustürschlüssel oder das Bezahlen im Supermarkt deutlich vereinfachen kann. In ihm integriert ist ein RFID-Chip, der fälschungssicher, versiegelt und unsichtbar Informationen speichert und abgibt. Der Ring ist dabei nur marginal größer als ein gewöhnlicher Fingerring.
Wichtiger als der Ring selbst sollen jedoch das Herstellungsverfahren sowie die Möglichkeit sein, während des Produktionsprozesses eines Bauteils Elektronik integrieren zu können – und zwar an Stellen, die sonst unzugänglich wären.
Herstellung des smarten Rings
In pulverbettbasierter additiver Fertigung wird ein Laserstrahl über ein Bett aus feinem Metallpulver geführt. Dort, wo der 80 µm große Laserspot auf das Pulver trifft, schmilzt es auf und erstarrt anschließend zu einem Materialverbund. Das restliche nicht belichtete Metall bleibt pulverförmig.
Schicht für Schicht wird der Fingerring so aufgebaut, mit einer entsprechenden Aussparung für die Elektronik. Mittendrin wird der Prozess angehalten, ein Robotersystem nimmt automatisch eine RFID-Komponente aus einem Magazin und platziert sie in der Aussparung. Dann geht der Druck weiter.
Durch die fein steuerbare Fertigung lassen sich auch individuelle Ringdesigns umsetzen. Zudem ist der Chip komplett versiegelt und somit fälschungssicher.
Abschirmendes Metall als Schwierigkeit
Das Hauptaugenmerk bei der Entwicklung lag darauf, die Laserstrahlschmelzanlage um das selbst entwickelte, automatisierte Verfahren zu erweitern, das die Elektronik platziert. „Die Hardwaretechnik so umzurüsten, dass sich während des Herstellungsprozesses Elektronik integrieren lässt, ist bislang einmalig“, sagt Maximilian Binder, Senior Researcher und Gruppenleiter im Bereich Additive Fertigung am Fraunhofer IGCV.
Der zweite Entwicklungsschwerpunkt lag in der Frage: Wie können die elektromagnetischen Signale des RFID-Chips durch Metall gesendet werden? Üblicherweise schirmt Metall die Signale stark ab.
Nach zahlreichen Simulationen und Experimenten wurde eine passende Lösung gefunden: „Wir nutzen eine Frequenz von 125 kHz: Diese hat eine geringere Reichweite – wie es hier durchaus gewünscht ist – und wird weniger durch das Metall abgeschirmt“, erklärt Binder. Zudem ist der Tag so angebracht, dass seine Signale nur 1 mm 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 1.000 °C hohen Temperaturen des Fertigungsprozesses zu schützen.
Anwendung in der Industrieproduktion
Die Technologie lässt sich überall dort einsetzen, wo die Integration von Elektronik auf herkömmlichem Weg schwierig ist. Derzeit arbeiten die Forschenden beispielsweise an einer Anwendung im Bereich Produktionstechnik: Sie implementieren Sensoren in Zahnräder, wo sie live während des Betriebs Informationen zum Lastzustand, Temperaturen an verschiedenen Positionen und anderen wichtigen Parametern drahtlos an eine Auswerteeinheit senden sollen. So lässt sich etwa anhand von Vibrationen feststellen, ob an einem Zahn bereits erste Schäden auftreten.
Die nötige Energie erhalten die integrierten Sensoren dabei über eine gedruckte RFID-Antenne auf der Außenseite – sie arbeiten also passiv, ohne Batterie oder andere eigene Stromversorgung. Mit den integrierten Sensoren könnte sich so eine Überwachungsmöglichkeit realisieren lassen, die aufgrund der schnellen Rotation der Zahnräder andernfalls kaum umsetzbar wäre.
