CN110177812A - 内置件和聚合物之间的持久密封的连接和为此的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于建立内置件(1、1'、1")和至少部分地包围所述内置件的聚合物(3)之间的连接的方法(100)，其中，使单体(2)与所述内置件(1、1'、1")接触(110)并且随后聚合(120)成所述聚合物(3)，其中，使所述内置件(1、1'、1")的温度TE至少短时间地至少升高(130)到以下温度TM，所述单体(2)在它放热聚合(120)成所述聚合物(3)期间最大呈现出该温度，和/或该温度确保热流总是从所述内置件(1、1'、1")流向所述单体(2)。用于将内置件(1、1'、1")密封地集成到构件(5)中的方法(200)、(300)、(400)。用于实施方法(100)的设备(50)，包括用于冲裁格栅(11)的输送器(51)以及至少两件式(52a、52b)的模具(52)，在该冲裁格栅中能够供应有多个内置件(1、1'、1")，该模具能够围绕单个内置件(1、1'、1")闭合并且具有用于将所述单体(2)供应到所述模具(52)和所述内置件(1、1'、1")之间的室(54)的供应装置(53)，其中，设置有用于由所述模具(52)围绕的所述内置件(1、1'、1")的电阻式和/或感应式加热(131)的电流供应装置(55)。

Description

内置件和聚合物之间的持久密封的连接和为此的制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于使尤其金属的内置件与包围该内置件的聚合物持久密封地连接的方法，所述方法尤其用于经由塑料壳体的电通路。
背景技术
电子部件、如印制导线、传感器和电路板经常被埋入到塑料载体中或安置到塑料壳体中。为了使所述部件能够实现其功能，需要经由载体或壳体的金属导线的电通路。
在这里原则上产生以下问题，即金属和塑料具有不同的收缩性。在运行中温度变换的情况下，或者也在金属以热塑料注塑包封并且随后塑料冷却的情况下，塑料会与金属分离。所产生的缝隙损害载体或壳体的密封作用，从而例如水会侵入并且电子部件会由于短路而失灵。
已知不同的方案来解决该问题。通过安装附加的密封件，可以这样改变设计，使得可以容忍缝隙，如由DE 20 2006 013 243 U1已知。例如可以浇注弹性体，该弹性体依照O型环的类型总是密封地围住金属。DE 103 13 832 A1公开了利用热熔胶来封闭缝隙。DE 102005 033 912 B3公开了，通过微激光结构化以及通过电镀过程改善金属和塑料之间的接合。EP 1 202 852 B1公开了，使金属这样成形，使得所述金属在温度变化时通过塑料挤紧并且填塞至少一个区段中的缝隙。
发明内容
在本发明的框架下，已经发展出一种用于建立内置件和至少部分地包围该内置件的聚合物之间的连接的方法。在此，使单体与内置件接触并且随后将其聚合成聚合物。
在这里，单体尤其可以作为与开始和/或维持聚合的催化剂和/或活化剂的混合物存在。但是单体也可以是单组分的。在单体中例如可以化学化合有催化剂和/或活化剂，并且在超过用于聚合所需的温度时释放出。因为单体的组成不是本发明的主题，下面仅提到“单体”。
单体尤其可以是聚合成聚酰胺6(PA6)的己内酰胺。
根据本发明，将内置件的温度TE至少短时间地至少升高到以下温度TM，单体在其放热聚合成聚合物期间最大呈现出该温度，和/或该温度确保热流总是从内置件流向单体。
已认识到，对于聚合物在内置件上的优化粘附而言重要的是，单体特别在与内置件的接触面上完全转化成、即聚合成聚合物。在该接触面处的两个效应会干扰聚合：
一方面，单体、活化剂或催化剂可以与内置件的材料相互作用，由此妨碍、延缓或者过早地中断聚合。这要么可以通过聚合期间使活性的链末端失活要么可以通过在聚合期间或聚合前使活化剂或催化剂失活来发生。所述失活典型地通过内置件和单体、活化剂或催化剂(尤其是在金属的情况下)之间的氧化还原反应或者通过使反应失活的自由质子产生，在本领域也称为“quenchen”。
另一方面，由于内置件的导热性会从聚合中抽走能量。
由于金属的氧化还原电势结合高的导热性，迄今为止只能非常耗费地实现与具有自由离子的金属接触的单体的完全阴离子聚合。
已认识到，内置件的温度升高令人惊讶地同时抵抗两个干扰因素。至少升高到TM正好确保，在内置件和单体之间的可能的热流总是从内置件流向单体，即仅向聚合供应能量并且不从聚合中抽走能量。该能量供应又导致，提高用于使单体分子彼此化合的亲合性。由此，对于给定的单体分子，相对于所述单体分子不期望地与内置件的离子相互作用的可能性，有利地提高所述单体分子与另外的单体分子化合的可能性。结果是，单体完全聚合并且特别好地粘附在内置件上。因此，在内置件和聚合物出现不同收缩时作用到内置件和聚合物之间的接触面上的剪切力传递到聚合物的体积上并且在那里分布，从而不会在内置件和聚合物之间形成缝隙。
内置件的温度例如可以在内置件与单体接触之后升高。这例如可以在1s和30s之间的时间段、优选在小于1s的时间段内进行。所选择的温度例如可以超过TM至少10K、优选20-40K。这样一方面使单体的聚合优化地加速，并且另一方面单体不热降解。聚合本身可以持续少于30s，或者也持续30s和4min之间。
但内置件在加热状态中也已经可以与单体接触。那么仪器构造更便宜，以至于在聚合期间不会供应另外的热量。为了与此相关地具有用于不可避免的热损失的余量，将内置件的温度有利地升高为超过TM30-50K。
因为对于接收剪切力而言特别重要的是内置件和聚合物之间的接触面的强度，在本发明的特别有利的构型中，使内置件的温度TE至少如此长时间地保持为温度TM或高于该温度，直至单体至少沿着其与内置件的整个接触面聚合。
这具有另外的效应，即所述接触面在下面作用为既抵抗热量流入内置件中也抵抗内置件的离子与单体分子的相互作用的屏障。如果首先制造所述屏障，那么升高的温度不再需要处于迄今为止的范围中。因此，在单体沿着其与内置件的完整接触面聚合之后，有利地使内置件的温度TE下降到低于温度TM。
以该方式，尤其可以将敏感的电子构件作为内置件进行保护。温度负荷时间越短，温度应越高。
在引导电能或电信号通过绝缘载体或绝缘壳体时恰好重要的是，连接是密封的，以便避免例如由于湿气的侵入而引起的短路。此外，在植入电子医疗器械时重要的是，没有与体液相关的有害物质泄漏到身体中。在该应用中特定地，内置件至少部分是导电的或半导电的。
如果内置件至少部分是导电的或半导电的，那么在本发明的特别有利的构型中，能够通过加载以电流电阻式和/或感应式地加热所述内置件。以该方式，尤其可以使内置件与单体的接触面特别快地达到温度TM并且也同样快地冷却，该接触面对于持久的密封连接是极其重要的。内置件尤其可以包含铜、铜锌合金、锌、铝、铁或铁合金。这些金属具有化学势并且由此也具有非常不同的离子活度。尽管如此，温度升高为TM导致，抑制这些离子活度与单体的有干扰的相互作用。
在本发明的另外的特别有利的构型中，将内置件沉入到单体中，其中，在内置件的表面上的不会由聚合物包围的至少一个区域以排斥件遮盖。内置件尤其可以在加热到温度TM的状态中沉入到单体中。在内置件与单体的接触面上在该内置件不由排斥件遮盖的地方使单体聚合成聚合物。因此，内置件在那里以由聚合物形成的层覆盖，其中，层厚度与内置件的温度和沉入时间有关。内置件尤其可以被多次沉入。内置件也可以在从具有单体的浴池中抽出之后再加热，以便完成聚合。
为了促进聚合物的粘附，使内置件有利地结构化，尤其结构化出底切(Hinterschnitte)。当单体侵入到该底切并且随后聚合时，形成聚合物与内置件的形状锁合的连接。
本发明也涉及用于将内置件密封集成到构件中的不同方法，所述方法相对于现有技术分别由此来改善：在至少一个确定部位上应用前面所述的方法来建立内置件和聚合物之间的连接。
用于将内置件密封集成到构件中的第一方法的特征在于，使得内置件根据之前所述方法由聚合物包围并且随后装入到构件中。元件在构件中的装入在制造技术中已知为“缝合(Stitching)”并且也能够以不改变的形式继续进行。仅仅内置件在装入之前以聚合物包围并且这里扩展成半成品。
在内置件和构件之间的密封作用例如已经可以通过以下方式建立：聚合物由于在装入时的动力或弹性应力变形。密封作用例如还可以通过以下方式支持：聚合物随后部分地熔化并且以该方式与构件密封地连接，如通过激光束焊接。
但内置件与聚合物的连接也可以与密封作用无关地提升所述装入的可复制性。为此，构件可以有利地设有用于聚合物的限定止挡。与内置件和构件之间作用有多大变形力无关地，内置件总是相同深度地侵入到构件中。
在用于将内置件密封集成到构件中的第二方法中，将内置件导入到用于制造构件的注塑模具中，并且通过由以塑料的注塑包封和根据开始时所述方法的以聚合物的包围的组合使该内置件与由塑料组成的构件密封地连接。在此，关于这些步骤所进行的顺序而言的不同构型是可能的。注塑包封尤其可以通过注塑到注塑模具中进行。在此，塑料也可以与聚合物材料相同。
如开始所述，内置件可以在导入到注塑模具之前由聚合物包围。如果这样扩展的内置件随后在注塑包封时与热塑料接触，那么聚合物部分地熔接。熔液在与塑料连接的情况下在固化之后形成与由塑料产生的构件的持久密封的连接。塑料有利地具有稍高于聚合物的熔点，通过该聚合物包围内置件。
但是替代地，内置件也可以在导入到注塑模具之前仅以还未聚合的单体包围。在所述方法的该构型中，在供应用于注塑包封的塑料时或之后将内置件的温度至少升高到TM，以便将单体聚合成聚合物。在此，尤其可以将塑料的温度用作为用于加热内置件的热源。在此，根据要制造构件的塑料的类型，用于浇注、尤其用于注塑所需的温度甚至是如此高的，使得有利的或者需要的是，同时冷却内置件，由此内置件和单体均不过热。
在用于将内置件密封集成到构件中的第三方法中，将内置件与构件组装在一起并且随后根据开始所述的方法与聚合物连接。所述构件能够以已知的方式制造，例如通过注塑或通过3D打印。内置件与构件的组装也能够以已知的方式进行，例如通过装入(“Stitching”)。改良方案是，使内置件与单体接触并且使该单体如开始所描述的那样聚合，以便建立密封连接。以该方式，使用于改装现有设施的花费最小化。
在所述方法的特别有利的构型中，单体通过延伸经由构件的内部的通道与内置件接触。尤其可以在制造构件时已设置该通道。以该方式，可以将对根据本发明的方法的改型基本上转移到构件本身上。
内置件与构件的组装不以在该时间点所述构件已经完全制造为前提。内置件也可以在构件的制造期间已经与构件组装在一起。
例如在所述方法的特别有利的构型中，构件通过3D打印围绕内置件构造。在此，围绕内置件空出用于接收单体的室，并且单体被引入到该室中。然后原则上可选的是，单体是否在3D打印结束之后才与内置件接触或者是否例如在单体聚合成聚合物期间继续构件的3D打印。
本发明也涉及一种用于实施用于使内置件与聚合物连接的方法的设备。该设备包括：用于冲裁格栅的输送器以及一个至少两件式的模具，该冲裁格栅中可以供应有多个内置件，该模具可以围绕单个内置件闭合并且具有用于将单体供入到模具和内置件之间的室中的供应装置。根据本发明，设置有用于由模具包围的内置件的电阻式和/或感应式加热的电流供应装置。
以该方式，可以仅通过添加电流供应装置引起，通过转化单体而产生的聚合物与迄今为止相比能够明显更牢固地尤其与及金属内置件连接。
特别用于感应式加热的电流供应装置尤其可以在没有直接接触的情况下进行。所述电流供应装置例如可以含有至少一个线圈。
附图说明
下面参照附图结合对本发明的优选实施例的描述详细示出改善本发明的其他措施。
附图示出：
图1方法100和用于实施该方法的设备50的实施例；
图2方法100的实施例，具有在内置件1的区域1b上的通过排斥件4的遮盖112。
图3方法200的实施例，具有内置件1的装入210。
图4方法100与在方法300中的注塑的组合。
图5方法400在使用具有用于单体2的通道5c的构件5的实施例。
图6在图5中示出的方法400的变型，具有构件5的3D打印411。
图7将结构1f引入到内置件1中以建立与聚合物3的形状锁合的连接。
具体实施方式
根据图1a，用于实施所述方法100的设备50包括输送器51，该输送器将冲裁格栅11与多个这里构造为金属销的内置件1、1'、1"从上向下输送并且在给出内置件51之后卷起。在图1a中画出在设备50的当前工作循环中被加工的内置件1和在设备50的下一个工作循环中等待加工的另外的内置件1'。
内置件1被引入到模具52中，该模具由两个部分52a和52b组成。当模具52的两个部分52a和52b围绕内置件闭合时，在这两个部分之间形成用于接收单体2的室54。该室54环绕内置件1并且同时限定内置件1的表面1c的部分1a，该部分形成与单体2的接触面。在室54的左侧，内置件1在配属于模具52的部分52a的嵌块52c和配属于模具52的部分52b的嵌块52d之间夹紧。在室54的右侧，内置件1在配属于模具52的部分52a的嵌块52e和配属于模具52的部分52b的嵌块52f之间夹紧。
在该位置中，内置件1与电极55b和55c接触，所述电极与可调节的电压源55a一起形成电流供应装置55。替代于电极55b和55c，也可以使用感应式电流供应装置55。
在方法100的步骤110中已通过供应装置53供应单体2之后，通过在步骤131中施加合适的电压U对内置件1进行电阻式加热。内置件1的温度TE升高超过TM并且在方法100的步骤130中被加工。由此又促使，在方法100的步骤120中使单体2聚合成聚合物3。
图1b示出所得到的结果。沿着形成内置件1的表面1c的一部分的接触面1a，内置件1与由单体2产生的聚合物3牢固连接。
图1c示出内置件1的温度TE在时间t期间的示例性走势。在方法100的步骤110中单体2被供应期间，TE相当于环境温度。在步骤130中使温度TE升高超过TM。在温度TE高于TM期间进行聚合120。根据步骤140，使温度TE在所述方法100的该实施例中如此长时间地保持到该水平上，直至单体2完全聚合成聚合物3。然后温度TE在步骤150中又返回到环境温度。
如果要使对于内置件1的热负载最小化，那么替代地在单体2还未完全聚合、而所产生的聚合物3刚好完全遮盖与内置件1的接触面1a时已经可以减小根据步骤150的温度。然后温度TE不减小到环境温度，而是减小到为了结束聚合120所需要的那个温度。
图2示出方法100的另一实施例。根据图2a，首先在步骤112中将排斥件4插到内置件1上。然后，根据图2b，当内置件1与可加热的夹具57沉入到可通过加热装置58调温的、具有单体2的浴池56中(步骤111)时，防止内置件1的表面1c的部分1b与单体2接触。
在单体2和内置件1之间的接触面1a上单体2聚合成聚合物3并且在那里形成固体覆盖层。通过在步骤113中将排斥件4取下，使被遮盖的区域1b又露出。这样准备的内置件1在涂覆有聚合物3的区域1a上方和下方可分别电接触并且由此例如可以用作为由聚合物3密封的电通路。
图3a示意性地表明用于将内置件1密封地集成到构件5中的方法200的实施例。构件5具有用于内置件1的预制的开口5b，该开口通过止挡5a限界。内置件1首先根据所述方法100与聚合物3连接并且然后在方法200的步骤210中装入到开口5b中。
图3b示出所得出的结果。聚合物3在碰到构件5的开口5b中的止挡5a时变形成密封件3a，该密封件使内置件1相对于构件5密封。因此，内置件1例如可以用作为穿过构件5的电通路。
图4表明方法300的实施例，其中，将用于使三个内置件1、1'和1"与聚合物3连接的方法100与注塑组合起来。出于概要性原因，图4示出在形成构件5的塑料6固化并且移除注塑模之后的状态。
图4a示出第一变型方案。在该变型方案中，首先在方法300的步骤310中将根据方法100分别与聚合物3连接的内置件1、1'和1"导入到用于构件5的注塑模具中。然后在方法300的步骤320中将塑料6导入到注塑模具中。在塑料6固化之后产生构件5，该构件相应密封地围绕与内置件1、1'和1"连接的聚合物3。在此，密封作用已通过以下方式增强：聚合物3已经分别在其表面上熔接。
图4b示出第二变型方案。在该变型方案中，内置件1、1'和1"在其仅以单体2涂覆的状态中已经被导入。通过冷却装置59将内置件保持在0和50℃之间的温度，以便防止单体由于注塑模具的约80℃的温度在放入到注塑模具中时已经熔化。
在该变型方案中，通过热塑料6的热量输入也已经导致单体2聚合成在图4b中可看出的聚合物3。单体2全面地由内置件1、1'、1"或热塑料6包围并且因此全部转化成聚合物3，其方式是，注塑模具如此改变，使得在图4b中以6a标明的部位上也存在塑料6。
冷却装置59是非常动态的。内置件1、1'、1"的温度TE在填入热塑料6之后紧接着达到超过TM约30-50K。单体2聚合成聚合物3在通过注塑制造构件5期间才进行，这具有更改善密封的优点。
图5示出方法400的实施例，其中，三个内置件1、1'、1"首先在步骤410中与注塑的构件5组装在一起并且随后通过方法100与聚合物3连接。
图5示出在单体2通过供应装置53导入到通道5c中的时刻的瞬间图像。然后可以通过在图5中未示出的用于提升内置件1、1'、1"的温度TE的手段来开始聚合。
图6示出方法400的变型。与图5不同，构件5通过在基板7上借助3D打印的逐层构造411来制造。在此，在构件5中空出用于接收单体2的室5e。内置件1在合适的时间点借助于可加热的夹具57添加，然后以构件5的材料环绕打印。在室5e完全封闭之前，通过供应装置53将单体2导入到室5e中。
图6a示出在单体2的供应装置110在运行中的时间点的瞬间图像。然后，可以在合适的时间点通过将内置件1的温度TE至少提升130至TM来开始将单体2聚合120成聚合物3。构件5的3D打印411可以在聚合120还运行期间继续进行。
图6b示出所得到的结果。内置件1被聚合物3形成的环绕的环包围，该环相对于内置件1持久地密封。聚合物3又被构件5的材料环绕打印，由此相对于构件5也持久地密封。因此，内置件1整体上持久密封地引导穿过构件5的壁。
图7示意性示出，如何能够使内置件1设有结构1f，以便改善聚合物3的粘附。聚合物3的厚度和结构1f的尺寸强烈放大地画出。聚合物3这样嵌接到结构1f中，使得建立形状锁合的连接。这样聚合物3不再能从内置件1剥除。

Claims (15)

1.用于建立内置件(1、1'、1")和至少部分地包围所述内置件的聚合物(3)之间的连接的方法(100)，其中，使单体(2)与所述内置件(1、1'、1")接触(110)并且随后聚合(120)成所述聚合物(3)，其特征在于，使所述内置件(1、1'、1")的温度TE至少短时间地至少升高(130)到这样的温度TM：所述单体(2)在它放热聚合(120)成所述聚合物(3)期间最大呈现出该温度，和/或，该温度确保热流总是从所述内置件(1、1'、1")流向所述单体(2)。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，所述内置件(1、1'、1")的所述温度TE至少如此长时间地保持(140)为所述温度TM或者高于该温度，直至所述单体(2)至少沿着它与所述内置件(1、1'、1")的整个接触面(1a)发生了聚合(120)。
3.根据权利要求2所述的方法(100)，其特征在于，在所述单体(2)沿着它与所述内置件(1、1'、1")的整个接触面(1a)聚合(120)之后，使所述内置件(1、1'、1")的所述温度TE下降(150)为低于所述温度TM。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(100)，其特征在于，选择至少部分地导电的或半导电的内置件(1、1'、1")。
5.根据权利要求4所述的方法(100)，其特征在于，通过加载以电流I，电阻式和/或感应式地加热(131)所述内置件(1、1'、1")。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法(100)，其特征在于，将所述内置件(1、1'、1")沉入(111)到所述单体(2)中，其中，将所述内置件(1、1'、1")的表面(1c)上的不应被所述聚合物(3)包围的至少一个区域(1b)用排斥件(4)遮盖(112)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法(100)，其特征在于，使所述内置件(1、1'、1")设有结构(1f)，所述结构在引入所述单体(2)和使所述单体(2)聚合(120)成所述聚合物(3)之后建立所述内置件(1、1'、1")和所述聚合物(3)之间的形状锁合连接。
8.用于将内置件(1、1'、1")密封地集成到构件(5)中的方法(200)，其特征在于，将所述内置件(1、1'、1")按照根据权利要求1至7所述的方法以聚合物(3)包围并且随后装入(210)到所述构件(5)中。
9.用于将内置件(1、1'、1")密封地集成到构件(5)中的方法(300)，其特征在于，将所述内置件(1、1'、1")导入(310)到用于制造所述构件(5)的注塑模具中并且通过将以塑料(6)注塑包封(320)和根据权利要求1至7中任一项所述以聚合物(3)包围(100)相组合而与由所述塑料(6)制成的所述构件(5)密封地连接。
10.根据权利要求9所述的方法(300)，其特征在于，所述内置件(1、1'、1")在导入(310)到所述注塑模具中之前以所述聚合物(3)包围(100)，并且所述聚合物(3)在所述注塑包封(320)时通过与所述塑料接触而部分地熔接(330)。
11.根据权利要求9所述的方法(300)，其特征在于，所述内置件(1、1'、1")在导入(310)到所述注塑模具中之前以所述单体(2)包围110)，并且使所述内置件(1、1'、1")的温度在供应(320)所述塑料(6)之时或之后至少升高到TM，以便使所述单体(2)聚合(120)成所述聚合物(3)。
12.用于将内置件(1、1'、1")密封地集成到构件(5)中的方法(400)，其特征在于，使所述内置件(1、1'、1")与所述构件(5)组装在一起(410)并且随后按照根据权利要求1至7所述的方法与聚合物(3)连接(100)。
13.根据权利要求12所述的方法(400)，其特征在于，所述单体(2)通过延伸经由所述构件(5)的内部的通道(5c)与所述内置件接触(110)。
14.根据权利要求12至13中任一项所述的方法(400)，其特征在于，所述构件(5)通过3D打印围绕所述内置件(1、1'、1")构造(411)，其中，围绕所述内置件(1、1'、1")空出用于接收所述单体(2)的室(5e)，并且其中，将所述单体(2)引入(110)到该室中。
15.用于实施根据权利要求1至7中任一项所述的方法(100)的设备(50)，包括用于冲裁格栅(11)的输送器(51)以及至少两件式(52a、52b)的模具(52)，在该冲裁格栅中能够供应有多个内置件(1、1'、1")，该模具能够围绕单个内置件(1、1'、1")闭合并且具有用于将所述单体(2)供应到所述模具(52)和所述内置件(1、1'、1")之间的室(54)的供应装置(53)，其特征在于，设置有用于由所述模具(52)围绕的所述内置件(1、1'、1")的电阻式和/或感应式加热(131)的电流供应装置(55)。
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