3D-printed electrodes for electric field sensing technologies

Electrical field sensing and capacitive sensing have been an intensively explored research topic for over a century. Combined with the rising popularity of rapid prototyping technologies, like affordable all- in-one micro-controller boards and especially fused filament fabrication 3D-printing, new possibilities occur. 3D-printing drives the ambitions of custom designed objects with fully integrated and unobtrusive electronics. Conductive 3D-printing materials (filaments) can be used to create electrodes for electrical field sensing. These electrodes can be 3D-printed as an integral part into the overall object. However, none of the previous work examines the properties of these conductive materials, the chosen 3D-printing configurations, and patters regarding their sensing performance and costs. This thesis provides a first insight into the interdependency between the chosen 3D- printing parameters and the overall sensing performance. For this, 30 3D-printed electrodes were created from graphene filament and evaluated against one copper electrode, and a placebo electrode. The evaluation was performed by a custom made measuring toolkit, the CapLiper, which was also evaluated for proper sensing behavior. The results show, that 3D-printed electrodes can compete with the sensing performance of copper electrodes, with some exceeding its performance. Using these results, as well as lessons learned in creating two different prototypes, the thesis establishes best practice and gives an outlook on potential future work in this domain.

Elektrische Feldsensorik, sowie kapazitive Sensorik sind seit mehr als einem Jahrhundert ein intensiv betriebenes Forschungsfeld. Erschwingliche Rapid-Prototyping Technologien, welche immer mehr an Beliebtheit gewinnen, wie z.B Kleinstrechner für die Erstellung elektronischer Schaltungen und vor allem der 3D-Druck, welcher auf "fused filament fabrication" basiert, eröffnen neue Möglichkeiten. Der 3D- Druck fördert die Ambitionen im Bereich individuell erstellter Objekte mit vollständig und unauffällig integrierter Elektronik. Elektrisch leitende Materialien für den 3D-Druck können in dem Zusammenhang dazu genutzt werden Elektroden für elektrische Feldsensorik zu erstellen. Diese Elektroden können als Bestandteil des Gesamtobjekts direkt in jenes hineingedruckt werden. Allerdings wurde im Zuge verwandter Arbeiten bisher keine Untersuchung der 3D-gedruckten Elektroden durchgeführt, welche ihre Messleistung und die Kosten in Bezug zum verwendeten leitenden 3D-Druckmaterial (Filament), der 3D-Druck-Konfiguration und der ausgewählten 3D-Druck- Muster stellt. Diese Thesis stellt einen ersten Ansatz für den Einblick dar, welcher die Wechselwirkung zwischen den gewählten 3D-Druck-Parametern und der Gesamtmessleistung dieser Elektroden aufgreift. Dafür wurden 30 Elektroden 3D-gedruckt und deren Messleistung bezüglich einer Kupfer- und einer Placebo-Elektrode evaluiert. Die Evaluation wurde mithilfe eines eigens konstruierten Messaufbaus, dem CapLiper, durchgeführt, welcher wiederum auf Funktionalität und Verlässlichkeit der Messungen evaluiert wurde. Die Resultate der Elektrodenevaluation zeigen, dass 3D-gedruckte Elektroden mit der Messleistung der Kupferelektrode mithalten können, einige diese sogar übersteigen. Unter Bezug dieser Resultate, als auch aus den Erfahrungen, welche durch den Bau zweier unterschiedlicher Prototypen gewonnen wurden, führt diese Thesis Empfehlungen zur Vorgehensweise beim 3D-Druck von Elektroden auf. Weiterhin wird ein Ausblick auf potentielle zukünftige Arbeiten gegeben.