DE10154110A1 - Verfahren zum Herstellen eines Trägermaterials mit einer integrierten Leiterbahn - Google Patents

Abstract

Um auf einem Trägermaterial (4A, 4B), insbesondere auf einem Trägermaterial eines Formbauteils (2) eines Kraftfahrzeugs, in einfacher Weise und flexibel eine Leiterbahn (8) oder ein Leiterbahnmuster aufbringen zu können, ist vorgesehen, dass in das Trägermaterial (4A, 4B) selektiv in einem vom vorgesehenen Verlauf der Leiterbahn (8) entsprechenden Bereich zum Erzeugen einer Leiterbahnstruktur (10) metallische Partikel (12, 14) einzuarbeiten. Diese metallischen Partikel (12, 14) bilden dabei insbesondere eine Vermittler- oder Keimschicht aus, auf der dann die Leiterbahn (8) aufgebracht wird. Vorzugsweise werden hierbei in ein textiles Trägermaterial (4A) Kupferfäden (12) eingearbeitet oder alternativ werden in ein Trägermaterial (4B) geringer Oberflächenhärte Kupferpulver-Partikel (14) eingepresst.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Trägermaterials mit einer integrierten Leiterbahn.
• Im Kraftfahrzeug-Bereich, insbesondere im Pkw-Bereich, wird eine möglichst kurze Wiederbeschaffungsdauer, also eine möglichst kurze Zeitspanne zwischen der Bestellung eines Endkunden und der Auslieferung eines Kraftfahrzeugs vom Produktionsort, angestrebt. Hierzu ist es notwendig, dass die zum Produktionsort zugelieferten Komponenten einen hohen Vorfertigungsgrad aufweisen. Auf Seiten der Zulieferer bedeutet dies, dass innerhalb kürzester Zeit unterschiedlich konfigurierte Bauteile mit einer hohen Integrationsdichte, also mit unterschiedlichen Funktionen, hergestellt werden müssen.
• Im Bordnetz-Bereich für die Kraftfahrzeug-Elektrik werden heute üblicherweise mehrere elektrische Leiter zu einem vorgefertigten Kabelsatz zusammengefügt.
• Aus der WO 99/61282 ist zu entnehmen, einen Kabelsatz unmittelbar in ein Türmodul zu integrieren, so dass die in der Tür angeordneten elektrischen Komponenten nur noch durch ein Anstecken mit dem restlichen Bordnetz verbunden werden müssen. Damit ist eine aufwendige Installation des Kabelsatzes im Türbereich beim Einbau der Tür an die Karosserie vermieden. Zur Verlegung des Kabelsatzes im Türmodul weist dieses eingearbeitete Nuten auf, in denen die einzelnen Leiter des Kabelsatzes verlegt werden. Dies hat den Nachteil, dass die Nuten vergleichsweise aufwändig in das Türmodul eingearbeitet werden müssen, und dass Änderungen am Verlauf des Kabelsatzes auch Änderungen an den Nuten erfordern. Wegen der großen Modellvielfalt im Kraftfahrzeugbereich im Hinblick auf die elektrischen Ausstattungsvarianten führt dies dazu, dass auf besondere Kundenwünsche nur wenig flexibel reagiert werden kann bzw. dass ein großer Aufwand zur Realisierung derartiger Kundenwünsche notwendig ist.
• In der am 24.02.2001 angemeldeten deutschen Patentanmeldung 101 90 870.0 mit dem Titel "Verfahren zum Herstellen eines Formbauteils mit einer integrierten Leiterbahn" wird eine flexible und kostengünstige Herstellung eines Formbauteils mit einer integrierten Leiterbahn vorgeschlagen. Hierbei wird zunächst ein dem vorgesehenen Verlauf der Leiterbahn entsprechender Leiterbahnbereich haftend ausgebildet und anschließend wird auf dem haftenden Leiterbahnbereich durch ein Spritzverfahren die Leiterbahn aufgetragen. Dieses Verfahren ist bei einigen Trägermaterialien für die Leiterbahn zum Teil weniger geeignet.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hierzu alternatives Verfahren für eine flexible und kostengünstige Herstellung eines Trägermaterials mit einer integrierten Leiterbahn anzugeben.
• Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wonach in das Trägermaterial selektiv in einem dem vorgesehenen Verlauf der Leiterbahn entsprechenden Bereich zum Erzeugen einer Leiterbahnstruktur metallische Partikel eingearbeitet werden.
• Wie auch bei der Methode mit dem Erzeugen der Leiterbahnstruktur mittels eines Bestrahlungs- oder Spritzprozesses ist der entscheidende Vorteil dieses Verfahrens in der hohen Flexibilität zu sehen, da ohne spezielle vorbereitende Maßnahmen am Trägermaterial nachträglich durch die selektive, also geometrisch begrenzte, Einbringung der metallischen Partikel eine beliebige Leiterbahnstruktur erzeugt werden kann. Bei einer ausreichend hohen Partikeldichte besteht bereits durch das Einbringen der metallischen Partikel die Möglichkeit, eine Leiterbahn mit einer ausreichend hohen elektrischen Leitfähigkeit auszubilden.
• Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass die Partikel eine Vermittlerschicht bilden, auf der dann die eigentliche Leiterbahn aufgebracht wird. Der Zwischenschritt über die Vermittlerschicht hat den Vorteil, dass die elektrischen Eigenschaften durch das separate Aufbringen der Leiterbahn gezielt eingestellt werden können. Die Einbringung zunächst einer Vermittlerschicht geht dabei zudem von der Überlegung aus, dass ein unmittelbares Aufbringen der in der Regel metallischen Leiterbahn auf einigen Trägermaterialien zu einer nicht zufriedenstellenden Haftung der Leiterbahn auf dem Trägermaterial führt. Demgegenüber besteht zwischen den metallischen Partikeln und der Leiterbahn eine ausgesprochen gute Haftung und insbesondere gehen die metallischen Partikel mit der Leiterbahn eine stoffliche Verbindung ein. Für das Erzeugen der Vermittlerschicht, also das Einbringen der metallischen Partikel, kann daher auf geeignete Verfahren zurückgegriffen werden, die eine besonders gute und sichere Haftung oder Verbindung zwischen den Partikeln und dem Trägermaterial gewährleisten. Die Haftung der Leiterbahn auf dem Trägermaterial erfolgte dann über die beispielsweise im Trägermaterial eingebetteten Partikel mittelbar.
• Zweckdienlicherweise ist das Trägermaterial für ein Formbauteil eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Dabei kann das Formbauteil vollständig aus dem Trägermaterial ausgebildet sein oder das Trägermaterial ist Teil des Formbauteils, bildet beispielsweise eine Teilschicht. Ein derartiges Formbauteil ist beispielsweise der im Kraftfahrzeug vorgesehene Dachhimmel, der üblicherweise aus einem textilen Trägermaterial besteht, oder zumindest mit einem textilen Trägermaterial versehen ist. Das Formbauteil kann auch ein Kunststoffmodul, beispielsweise für den Armaturen- oder Türbereich sein, welches mit Leiterbahnen unmittelbar versehen werden soll. Falls als Formbauteil ein metallisches Blech verwendet wird, so muss zumindest dafür Sorge getragen werden, dass die Leiterbahn zum metallischen Blech isoliert ist.
• Alternativ hierzu kann das Trägermaterial auch in das Innere des Formbauteils integriert sein, also nicht auf dessen Oberfläche aufgebracht sein. Als Beispiel hierfür ist beispielsweise ein mit einer Sitzheizung ausgestatteter Autositz zu nennen, bei dem das mit den Leiterbahnen versehene Trägermaterial als Heizelement und die Leiterbahnen als Heizdrähte verwendet werden.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Trägermaterial ein textiles Trägermaterial, wie es beispielsweise für den Dachhimmel verwendet wird, in das als Partikel metallische Fasern, insbesondere Kupferfasern, eingearbeitet werden.
• Insbesondere bei derartigen textilen Trägermaterialien würde mit dem unmittelbaren Aufbringen einer metallischen Leiterbahn auf dem textilen Trägermaterial nur eine geringe Haftung erreicht werden und es bestünde die Gefahr, dass die Leiterbahn unterbrochen wird oder sich vom Trägermaterial ablöst. Durch die Verwendung von Fasern als die einzuarbeitenden Partikel wird gewährleistet, dass diese innig und damit fest mit dem textilen Trägermaterial verbunden werden. In Abhängigkeit vom verwendeten textilen Trägermaterial können dabei Kurzfasern oder Langfasern gewählt werden. Die Kurzfasern werden beispielsweise durch Knüpfen eingearbeitet.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung werden jedoch die Fasern als endlose Fäden in das Trägermaterial eingearbeitet, da hiermit ein besonders einfaches, kontinuierliches und insbesondere automatisches Verfahren ermöglicht ist. Dabei wird vorzugsweise auf übliche textile Verarbeitungsverfahren wie Nähen, Weben, Sticken, Stricken oder Häkeln zurückgegriffen.
• Insbesondere alternativ zu der Verwendung eines textilen Trägermaterials weist das Trägermaterial eine im Vergleich zu den leitfähigen Partikeln geringere Oberflächenhärte auf und die Partikel werden über Druck, der vorzugsweise mit Hilfe eines mechanischen Anpressmittels ausgeübt wird, in die Oberfläche des Trägermaterials eingepresst. Die Partikel werden daher direkt und unmittelbar in die Oberfläche des Trägermaterial eingedrückt. Als Trägermaterial ist hierbei insbesondere ein Kunststoff vorgesehen. Das Einbringen von Partikeln mittels Ausübung von insbesondere mechanischem Druck kann allerdings auch bei geeigneten textilen Trägermaterialien angewendet werden.
• Zweckdienlicherweise wird dabei als metallische Partikel ein metallisches Pulver, insbesondere ein Kupferpulver, verwendet. Aufgrund ihrer geringen Abmessungen sind die einzelnen Kupferpartikel bei relativ geringen mechanischen Anpresskräften in die Oberfläche einzupressen.
• Für die Ausübung des mechanischen Drucks ist dabei vorzugsweise eines der Verfahren Walzen, Bürsten oder Hämmern vorgesehen.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen und grob vereinfachten Darstellungen
• Fig. 1 einen perspektivischen Ausschnitt aus einem Formbauteil mit einem textilen Trägermaterial mit aufgebrachter Leiterbahn und
• Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Trägermaterial mit aufgebrachter Leiterbahn.
• Das ausschnittsweise in Fig. 1 dargestellte Formbauteil 2 ist insbesondere ein Teilstück eines Dachhimmels für ein Kraftfahrzeug. Das Formbauteil 2 umfasst als Trägermaterial eine textile Trägerschicht 4A, an deren Unterseite eine Dekorationsschicht 6 aufgebracht ist. Letztere ist in der Regel vom Fahrzeuginnenraum aus einzusehen. Auf der der Dekorationsschicht 6 gegenüberliegenden Oberfläche der textilen Trägerschicht 4A ist eine mehrere Verzweigungen aufweisende Leiterbahn 8 entsprechend einer gestrichelt dargestellten Leiterbahnstruktur 10 aufgebracht. Die Leiterbahn 8 ist daher im Ausführungsbeispiel als ein Leiterbahnmuster ausgebildet. Die Leiterbahnstruktur 10 gibt den geometrischen Bereich an, in dem die Leiterbahn 8 auf der textilen Trägerschicht verläuft. Im Ausführungsbeispiel sind die Einzelbahnen der Leiterbahnstruktur 10 etwas breiter als die Leiterbahn 8. Alternativ hierzu kann die Leiterbahnstruktur 10 identisch von der Leiterbahn 8 überdeckt oder sogar überlappt sein.
• Die Leiterbahnstruktur 10 wird gemäß dem Ausführungsbeispiel dadurch erzeugt, dass in die textile Trägerschicht 4A entsprechend der Leiterbahnstruktur 10 ein Kupferfaden 12 eingenäht wird. Durch das Einnähen ist der Kupferfaden 12 fest mit der textilen Trägerschicht 4A verbunden. Anschließend wird zur Erzeugung der Leiterbahn 8 auf die derart ausgebildete Leiterbahnstruktur 10 mit den eingebrachten Kupferfäden 12 elektrisch leitfähiges Material zur Ausbildung der Leiterbahn 8 aufgebracht. Die in die textile Trägerschicht 4A eingebrachten Kupferfäden 12 definieren demnach eine Vermittler- oder auch Haft- oder Keimschicht, auf die die Leiterbahn 8 anschließend aufgebracht wird. Dieses Aufbringen geschieht beispielsweise durch einen Spritzprozess, durch ein Aufdampfverfahren, durch einen Laminierprozess o. dergl.. Die Leiterbahn 10 kann insgesamt einen schichtweisen Aufbau aufweisen. Insbesondere bietet sich bei einem Schichtaufbau die Möglichkeit an, Funktionsbauteile, wie beispielsweise elektrische Brücken, Widerstände o. dergl. zu erzeugen. Insbesondere kann anschließend auf die Leiterbahn 8 auch eine hier nicht näher dargestellte Schutzschicht aufgebracht oder allgemein die Oberfläche der Leiterbahn 8 behandelt werden.
• In der am 24.02.2001 eingereichten deutschen Patentanmeldung 101 09 087.0 mit dem Titel "Verfahren zum Herstellen eines Formbauteils mit einer integrierten Leiterbahn" sind Möglichkeiten beschrieben, eine Leiterbahn auf eine im vorliegenden Fall durch die eingenähten Kupferdrähte 12 gebildete Vermittlerschicht aufzubringen. Auf den Inhalt dieser Patentanmeldung, insbesondere im Hinblick auf das Aufbringen von Leiterbahnen, ihren schichtweisen Aufbau, die Integration von Funktionsbauteilen und das Aufbringen von Schutzschichten, wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen.
• Anstelle des Einbringens von metallischen Partikeln in Form von Kupferfäden 12 durch ein textiles Verfahren, wie das Nähen, ist gemäß Fig. 2 vorgesehen, die metallischen Partikel in Form von Kupferpulver 14 in die Oberfläche eines Trägermaterials 4B mittels eines mechanischen nicht dargestellten Anpressmittels einzupressen. Hierzu ist erforderlich, dass das Trägermaterial 4B zumindest eine geringere Oberflächenhärte als die Kupferpulver-Partikel 14 aufweist, so dass letztere in die Oberfläche des Trägermaterials 4B eindringen können. Das Trägermaterial 4B besteht beispielsweise aus einem Kunststoff. Die Kufperpulver- Partikel 14 werden hierbei beispielsweise durch Walzen, Bürsten o. dergl. eingebracht. Durch das mechanische Einpressen der Kupferpulver-Partikel 14 wird wiederum eine Leiterbahnstruktur 10 erzeugt, auf der dann - wie bereits zu Fig. 1 beschrieben - die Leiterbahn 8 auf der durch die Kupferpulver-Partikel 14 gebildeten Vermittlerschicht aufgetragen wird.
• Mit dem hier beschriebenen Verfahren ist es möglich, beliebige Leiterbahnmuster auf dem Trägermaterial 4A, 4B unmittelbar zu erzeugen, d. h. die Leiterbahn 8 ist am Ende des Prozesses integral mit dem Trägermaterial 4A, 4B verbunden. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit, separate Kabelstränge oder Leiterzüge auf dem Trägermaterial 4A, 4B oder dem Formbauteil 2 verlegen zu müssen, wodurch Arbeitsabläufe bei der Endmontage eines Kraftfahrzeugs eingespart werden. Insbesondere besteht dabei die Möglichkeit, das Leiterbahnmuster automatisch zu erzeugen, da in einfacher Weise beispielsweise das Einnähen der Kupferfäden 12 in einem vorgegebenen Bereich sowie das anschließende Aufbringen der Leiterbahn 8 beispielsweise durch einen Spritzprozess, sich mit herkömmlichen Mitteln automatisieren und steuern lässt. Demgegenüber ist eine Verdrahtung mit Einzelleitungen, die separat verlegt werden, nur sehr schwer zu automatisieren. Bezugszeichenliste 2 Formbauteil
  4A textiles Trägermaterial
  4B weiteres Trägermaterial
  6 Dekorationsschicht
  8 Leiterbahn
  10 Leiterbahnstruktur
  12 Kupferfäden
  14 Kupferpulver
  

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen eines Trägermaterials (4A, 4B) mit einer integrierten Leiterbahn (8), bei dem in das Trägermaterial (4A, 4B) selektiv in einem dem vorgesehenen Verlauf der Leiterbahn (8) entsprechenden Bereich zum Erzeugen einer Leiterbahnstruktur (10) metallische Partikel (12, 14) eingearbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Partikel (12, 14) eine Vermittlerschicht bilden, auf die die Leiterbahn (8) aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Trägermaterial (4A, 4B) für ein Formbauteil (2) eines Kraftfahrzeugs vorgesehen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Trägermaterial ein textiles Trägermaterial (4A) ist, in das als Partikel metallische Fasern (12) eingearbeitet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Fasern als endlose Fäden (12) in das Trägermaterial eingearbeitet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Fasern (12) in das textile Trägermaterial (4A) durch ein textiles Vearbeitungsverfahren wie Nähen, Weben, Sticken, Knüpfen, Stricken, Häkeln, eingearbeitet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Trägermateral (4B) eine im Vergleich zu den leitfähigen Partikeln (14) geringere Oberflächenhärte aufweist und die Partikel über Druck in die Oberfläche des Trägermaterials (4B) eingepresst werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem als Partikel ein metallisches Pulver (14) verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem der Druck mit Hilfe eines mechanischen Anpressmittels ausgeübt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Partikel (14) mittels eines der Verfahren Walzen, Bürsten oder Hämmern eingebracht werden.