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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von elektrischen
Leiterstrukturen auf ein Zielbauteil aus Kunststoff gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1.
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Es
ist bekannt, Zielbauteile aus Kunststoff herzustellen. So ist es
bei Fahrzeugen zum Beispiel bekannt, flächige Bauteile, wie Motorhauben,
Dächer,
Kofferraumdeckel und dergleichen aus Kunststoff aus Gewichtsreduzierungsgründen herzustellen.
Ebenso können
Anbauteile, wie Kotflügel,
Türen, Stoßfänger und
dergleichen von Fahrzeugen aus Kunststoff hergestellt werden. Neben
der Gewichtsreduzierung haben diese Bauteile aus Kunststoff den Vorteil,
dass sie gegenüber
Bauteilen aus Stahl nicht rosten können.
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Bei
solchen Bauteilen von Fahrzeugen ist es darüber hinaus bekannt, auch elektrisch
leitende Strukturen (Leiterstrukturen) ein- oder aufzubringen, die
der Übertragung
von Energie oder Signalen dienen. Dabei werden bisher bekannte Verfahren
zur Aufbringung der Leiterstrukturen angewendet, bei denen zunächst das
Zielbauteil hergestellt wird, so dass es seine endgültige Form
erreicht. Erst danach werden die Leiterstrukturen aufgebracht, zum
Beispiel durch Einklipsen von Drähten
oder Stanzbiegeteilen. Diese Verfahren der nachträglichen
Aufbringung. der Leiterstrukturen ist aber nachteilig, da ein aufwändiger Abstimmungsprozess
zwischen dem Material der Leiterstruktur und dem Zielmaterial erforderlich
ist und die im anschließenden
Betrieb des Fahrzeuges erforderliche Haltbarkeit der Leiterstrukturen
auf dem Zielbauteil nicht gewährleistet
ist. Außerdem
ist in nachteiliger Weise ein aufwändiger Motageprozess erforderlich.
Ferner gibt es große
Probleme beim nachträglichen
Aufbringen der Leiterstrukturen auf das Zielbauteil, da dieses im
Regelfall komplex, zum Beispiel gewölbt, gebogen oder dergleichen,
ist. Daraus resultiert, dass die nachträgliche Aufbringung von Leiterstrukturen,
wenn sie überhaupt
möglich
ist, dann doch sehr aufwändig
ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufbringen
von elektrischen Leiterstrukturen auf ein Zielbauteil aus Kunststoff
bereitzustellen, das einfach zu realisieren ist und das die eingangs
geschilderten Nachteile vermeidet. Außerdem soll ein nach dem Verfahren
hergestelltes Zielbauteil mit elektrischen Leiterstrukturen zur
Verfügung
stehen.
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Diese
Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass ein Transfermedium, auf dem die Leiterstrukturen lösbar angeordnet
sind, in ein Formteil (auch Formwerkzeug genannt) eingelegt werden
und das Formteil mit einem Kunststoffmaterial aufgefüllt wird,
wobei nach dem Auffüllen
das fertige Zielbauteil dem Formteil entnommen wird. Dieses Verfahren
hat den Vorteil, dass zunächst
die Leiterstrukturen auf ein Transfermedium gebracht werden, wobei
in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung das Transfermedium eine
Folie aus Kunststoff ist. Der Einsatz eines Transfermediums hat
darüber
hinaus den Vorteil, dass es nur solche Abmessungen aufweisen muß, in dessen Bereich
die Leiterstrukturen vorhanden sind. Damit ist es wesentlich einfacher
handhabbar. Außerdem besteht
der Vorteil, dass das Material des Transfermediums und das Material
der Leiterstrukturen so aufeinander abstimmbar ist, dass es zumindest
während
der Herstellung des Zielbauteiles aneinander haften, gegebenenfalls
nach der Herstellung des Zielbauteiles aber auch ein Entfernen des
Transfermediums möglich
ist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass das Transfermedium
mit den darauf angeordneten Leiterstrukturen noch nicht die endgültige Form
des Zielbauteiles aufweisen muß,
da diese Form erst nach dem Einlegen in das Formteil und dem anschließenden Auffüllen des
Formteiles mit Kunststoffmaterial erfolgen kann. Dadurch werden die
Designfreiheit für
das Zielbauteil und dessen rationale Fertigung in vorteilhafter
Weise unterstützt. Insbesondere
für den
Fall, dass nach der Herstellung des Zielbauteiles das Transfermedium
entfernt wird, bietet das erfindungsgemäße Verfahren des Vorteil, dass
dann die Leiterstrukturen auf ihrer dem Transfermedium abgewandten
Oberflächen
von dem Kunststoffmaterial umgeben sind und damit dauerhaft und
fest an dem Zielbauteil angeordnet sind, so dass sie beim späteren Betrieb
des Zielbauteiles sich von diesem nicht mehr lösen können. Wird das Transfermedium
entfernt, ist weiterhin der Vorteil gegeben, dass eine glatte Oberfläche des
Zielbauteiles entstanden ist, die gerade bei einer nachträglichen Lackierung
nicht mehr weiter bearbeitet werden muß und die Leiterstrukturen
nicht mehr über
die Oberfläche
des Zielbauteiles hinausragen. Dies erleichtert zudem die Anbringung
eines Träger- oder Haltebauteils
(zum Beispiel ein Rahmen) weiterer Module (zum Beispiel Elektronikmodule)
oder einer Kontaktierung wesentlich.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist das Kunststoffmaterial eine erhitzte
Kunststoffschmelze, die in das Formteil eingefüllt wird, bis das Formteil,
einschließlich
des eingelegten Transfermediums, mit den Leiterstrukturen aufgefüllt ist,
oder dass als Kunststoffmaterial ein aufschäumbares Kunststoffmaterial
in einer solchen Menge in das Formteil eingefüllt wird, dass es nach dem
Einfüllen
Aufschäumen
und den Innenbereich des Formteiles, einschließlich des eingelegten Transfermediums,
mit den Leiterstrukturen ausfüllen
kann. An dieser Stelle sei erwähnt,
dass als aufschäumbares
Kunststoffmaterial ein PUR-Schaum ausgeschlossen ist, aber alle anderen
Kunststoffmaterialien, die aufschäumbar sind, eingeschlossen
sind.
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Insgesamt
bieten entweder die Einfüllung von
einer erhitzten Kunststoffschmelze oder des aufschäumbaren
Kunststoffmaterials große
Freiheiten einerseits bezüglich
des Designs und der Herstellkosten des Zielbauteils, andererseits
kann das Kunststoffmaterial aber auch je nach Anwendung des Zielbauteiles
ausgewählt
werden. So sind beispielsweise aufschäumbare Kunststoffmaterialien
dann bevorzugt, wenn es um Gewichtseinsparungen am Einbauort des
Zielbauteiles geht, während
Zielbauteile, die mittels der erhitzten Kunststoffschmelze hergestellt
werden, aufgrund der höheren
Dichte des fertigen Zielbauteiles eine höhere Stabilität erzielen.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Transfermedium
vor oder während
des Auffüllprozesses
umgeformt wird. Da vor dem Einlegen des Transfermediums in das Formteil
deren Formen voneinander abweichen können, aber nicht müssen, ist
es von Vorteil, das Transfermedium vor oder während des Auffüllprozesses
umzuformen, das heißt,
der Negativform des Formteiles, die der äußeren Form des fertigen Zielbauteiles
entspricht, anzupassen. Dies kann zum Beispiel mechanisch, mit Vakuum,
mit Hilfe elektrostatischer Aufladung im Formteil oder dergleichen
erfolgen. Wichtig bei dem Einlegevorgang des Transfermediums in
das Formteil, unabhängig
davon, ob das Transfermedium vor oder während des Auffüllprozesses
umgeformt wird oder seine ursprüngliche
Form beibehält,
ist es, dass das Transfermedium so in dem Formteil fixiert wird,
dass das Transfermedium nach Herstellung des Zielbauteiles an dessen äußerer Oberfläche erscheint,
das heißt,
zumindest teilweise oder auch vollständig deren Oberfläche bildet.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass während oder
nach dem Auffüllen
das gesamte Zielbauteil verformt wird. Das bedeutet, dass das Zielbauteil
durch die Formgebung des Formteiles schon seine endgültige Form
erhält
oder aber auch zunächst
durch das Auffüllen
des Formteiles mit dem Kunststoffmaterial das Zielbauteil eine erste
Formgebung erhält.
Nach dem Entnehmen des fertigen Zielbauteiles aus der Form wird
es dann mittels geeigneter Verfahren plastisch umgeformt, insbesondere durch
Einwirkung von Wärme
und Druckausübung
in seine endgültige
Form gebracht. Dabei ist darauf zu achten, dass bei dieser anschließenden Umformung die
Leiterstrukturen nicht beschädigt
werden, insbesondere dass Unterbrechungen vermieden werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist das Transfermedium eine Folie, die
den besonderen Vorteil hat, dass einfach, schnell und kostengünstig die
Leiterstrukturen auf ihr aufgebracht werden können und die eine ausreichende
Flexibilität
beim Einlegen in das Formteil bietet.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Transfermedium
nach der Fertigstellung des Zielbauteiles entweder als Schutzschicht auf
diesem verbleibt, teilweise entfernt wird (der verbleibende Teil
bietet eine Schutzschicht, während
im entfernten Bereich des Transfermediums die Leiterstrukturen zwecks
weiterer Verarbeitung, insbesondere Kontaktierung, freiliegen) oder
vollständig
entfernt wird. Die teilweise oder vollständige Entfernung des Transfermediums
bietet die Möglichkeit,
dass die Leiterstrukturen dann freiliegen und einer weiteren Verarbeitung
zur Verfügung
stehen. Die weitere Verarbeitung kann sein eine elektrische Kontaktierung mit
elektrischen oder elektronischen Bauteilen, die auf dem Zielbauteil
angeordnet werden, um dort ein elektronisches Gerät, beispielsweise
einen Antennenverstärker
eines Fahrzeuges, zu bilden. Ergänzend
oder alternativ dazu können
die Leiterstrukturen auch reine elektrische Verbindungen für Stromversorgung
oder Signalübertragung
sein und in ihren Endbereichen einen Steckverbinder aufweisen. Somit
läßt sich
in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung also ein Zielbauteil
mit darauf angeordneten Leiterstrukturen herstellen, auf dem anschließend elektrische,
elektronische und verbindende Bauteile angeordnet werden, die ein
elektronisches Gerät
bilden.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist das Transfermedium ein Faserverbund,
insbesondere ist das Transfermedium ein Papier. Papier ist äußerst preiswert
und wird auf Rolle geliefert. Es ist auch leicht zu bedrucken. Gewachstes
Papier kann für
den Transfer besonders günstig
sein. Stoff ist ein weiterer, sehr reissfester Faserverbund. Daneben
sind auch weitere Faserverbundstoffe denkbar In Weiterbildung der Erfindung
ist das Transfermedium ein Bestandteil des Formteiles. In dieser
Ausgestaltung werden die Leiterstrukturen mittels geeigneter Verfahren
auf die innere Oberfläche
des Formteiles aufgebracht, wobei die Verbindung zwischen den Leiterstrukturen
und dem Formteil so zu wählen
ist, dass nach dem Einfüllen
des Formteiles mit dem Kunststoffmaterial und dem Entfernen des
Formteiles die Leiterstrukturen an dem fertigen Zielbauteil verbleiben
und sich somit von dem Formteil lösen.
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In
einer weiteren besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird das Zielbauteil
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
herstellt, wobei das Zielbauteil gekennzeichnet ist durch seine
Anwendung als Bestandteil eines Fahrzeuges, insbesondere ein Kotflügel, ein
Fahrzeugdach, eine Heckklappe, ein Stoßfänger, eine Fahrzeugscheibe
oder auch zum Beispiel ein Gehäuse
eines elektronischen Gerätes, das
im Fahrzeug eingebaut ist, ist. Das bedeutet, dass als Kunststoffmaterial
zur Herstellung des Zielbauteiles durchscheinend oder undurchsichtig
ist. Außerdem
kann das Kunststoffmaterial entsprechend dem Einbauort schon fertig
farbig eingefärbt sein
oder anschließend
mit einer Farbschicht versehen werden.
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Ausführungsbeispiele
für die
Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, sind im folgenden
beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
elektrische Leiterstrukturen, die auf einem Transfermedium aufgebracht
sind,
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2:
ein Formwerkzeug zur Aufnahme des Transfermediums,
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3:
das geschlossene Formwerkzeug nach dem Einbringen des aufschäumbaren
Kunststoffmaterials,
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4:
ausschnittsweise das fertige Zielbauteil,
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5:
das Zielbauteil vor und nach dem Abziehen des Transfermediums,
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6:
eine weitere Ausgestaltung eines Formwerkzeuges und die Einbringung
des (hier nicht aufschäumbaren)
Kunststoffmaterials.
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Die 1 zeigt
Leiterstrukturen 1, die auf einem Transfermedium, insbesondere
einer dünnen Folie 2,
aufgebracht sind.
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Als
Leiterstrukturen kommen Pasten, zum Beispiel Silberpolymerpasten,
Cu-Pasten (Kupfer) oder
dergleichen in Betracht. Als Folien sind PET-, PMMA- und allgemein
Kunststofffolien verwendbar, die keine vollständige Verbindung mit dem Zielbauteil eingehen.
Aufbringen der Leiterstrukturen auf der Folie kann mittels Siebdruck,
Tampondruck und allen gängigen
Druckmethoden, die man auch bei Farbe anwendet (sprühen oder
sputtern) erfolgen. Dabei sind die vorstehend genannten Aufzählungen
nur beispielhaft und nicht abschließend.
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Eine
solche in 1 gezeigte Folie 2 mit
darauf angebrachten Leiterstrukturen 1 weist entweder schon
die endgültige
geometrische Ausgestaltung des späteren fertigen Zielbauteiles
auf oder kann vorher oder während
der Herstellung des Zielbauteiles oder nach dessen Herstellung in
die endgültige
Form gebracht werden.
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2 zeigt
ein Formwerkzeug zur Aufnahme des Transfermediums. Das Formwerkzeug
besteht im Regelfall aus zwei oder mehr Teilen, damit es möglich ist,
das Transfermedium in das Formwerkzeug einzusetzen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist ein erstes Formteil 3 vorhanden, in das eine Lackschicht,
insbesondere eine Lackfolie 4, eingebracht wird. Diese
Lackschicht kann, muß aber
nicht, vorhanden sein. Nach dem Einbringen der Lackschicht oder,
falls diese nicht vorhanden ist, erstmalig wird ein aufschäumbarer
Kunststoff (Schaumschicht 5, aber kein PUR-Schaum, sondern
alle anderen aufschäumbaren
Kuststoffmaterialien), mittels eines Auftragwerkzeuges 6 in
das erste Formteil 3 eingebracht. Dabei wird das aufschäumbare Kunststoffmaterial,
z. B. mittels einer Düse 7 des
Auftragwerkzeuges 6 in das erste Formteil 3 flächig oder
in anderer Weise eingebracht. Das aufschäumbare Kunststoffmaterial ist
dabei der Lackfolie 4 anzupassen in Bezug auf Verträglichkeit
und Ausdehnungskoeffizient. Die Ausdehnungskoeffizienten von Lackfolie 4 und Schaum
sollten genau aufeinander abgestimmt sein, so dass kein Bimetalleffekt
auftritt.
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3 zeigt
das geschlossene Formwerkzeug nach dem Einbringen des aufschäumbaren Kunststoffmaterials.
Nachdem das aufschäumbare Kunststoffmaterial
in das erste Formteil 3 eingebracht worden ist, wird das
Formwerkzeug verschlossen, hier mittels zumindest eines weiteren
Formteiles 8. Vor dem Verschließen wird noch das Transfermedium
(Folie 2 mit aufgebrachten Leiterstrukturen 1 gemäß 1)
in das Formwerkzeug eingebracht, wozu es bei spielsweise auf die
Schaumschicht 5 aufgelegt wird oder an der Innenseite des
weiteren Formteiles 8 haftet. In einer alternativen Ausgestaltung
kann das Transfermedium auch durch das weitere Formteil 8 gebildet
werden, das dann die Leiterstrukturen 1 trägt. Nachdem
das Formwerkzeug geschlossen worden ist, beginnt die Schaumschicht 5 zu
quellen, wodurch Wärme
und Druck entsteht, so dass dadurch entweder die Leiterstruktur 1 auf
der Folie 2 oder die Leiterstruktur 1 auf dem
Formteil 8 angeschäumt
wird. Bei diesem Vorgang wird die Menge des eingefüllten Kunststoffmaterials
so gewählt,
dass der komplette Innenraum des Formwerkzeuges, einschließlich der
eingelegten Leiterstrukturen, (und ggf. der eingelegten Folie 2)
beim Aufschäumen
vollständig
ausgefüllt
wird. Für
den Fall, dass eine größere Menge
gewählt
wird, kann es erforderlich werden, im Formwerkzeug eine Auslaßöffnung vorzusehen.
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4 zeigt
ausschnittsweise das fertige Zielbauteil, wobei hier dargestellt
ist, dass die auf der Schaumschicht dauerhaft anhaftenden Leiterstrukturen 1 von
dem Transfermedium (hier die Folie 2, alternativ z. B.
das Formteil 8) entfernt wird. Damit liegen die Leiterstrukturen 1 zumindest
teilweise frei und können
einer weiteren Bearbeitung, insbesondere Lackierung oder Anbringung
von elektrischen, elektronischen und dergleichen Bauteilen unterzogen
werden.
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5 zeigt
das Zielbauteil vor und nach dem Abziehen des Transfermediums. Hier
ist gezeigt, dass ein fertiges Zielbauteil 9 in einem Teilbereich, wie
vorstehend beschrieben, mit den Leiterstrukturen 1 versehen
worden ist. Wenn davon ausgegangen wird, dass als Transfermedium
die Folie 2 verwendet wird, haftet diese nach dem Entnehmen
des Zielbauteiles 9 aus dem Formwerkzeug noch an diesem
an. Dies ist von Vorteil, wenn z. B. das Zielbauteil 9 bei einem
Zulieferer eines Fahrzeugherstellers hergestellt und zur endgültigen Montage
an einen Fahrzeughersteller geliefert wird. In einem solchen Fall bietet
die Folie 2 den Leiterstrukturen 1 Schutz, insbesondere
vor Korrosion oder Oxidation sowie mechanischen Schutz. Gleiches
gilt für
den Fall, dass das Zielbauteil 9 hergestellt wurde, vor
seiner weiteren Verarbeitung, insbesondere der Kontaktierung der
Leiterstrukturen 1 mit weiteren elektronischen Bauteilen,
aber erst gelagert werden muß.
Auch in diesem Fall bietet der temporäre Verbleib der Folie 2 auf dem
Zielbauteil 9 einen Schutz der dort vorhandenen Leiterstrukturen 1.
Dies ist in der linken Hälfte der 5 dargestellt,
während
in der rechten Hälfte der 5 gezeigt
ist, dass die Folie 2 vollständig (wobei auch teilweise
denkbar ist) entfernt wurde. Damit liegen die Leiterstrukturen 1 offen
auf der Oberfläche
des Zielbauteiles 9, wobei darauf hinzuweisen ist, dass
die Oberfläche
des Zielbauteiles 9 und die Oberflächen der dort vorhandenen Leiterstrukturen 1 in
ein und derselben Ebene angeordnet sind, so dass sich die Leiterstrukturen 1 nicht
von der Oberfläche
des Zielbauteiles 9 abheben oder darunter liegen.
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An
dieser Stelle sei erwähnt,
dass nach der Entnahme des Zielbauteiles 9 dieses die endgültige Form
aufweist oder noch auf Maß gebracht
werden kann. Dabei ist es von Vorteil, dass es so bearbeitet wird,
dass sich am Ende der einzelnen Leiterstrukturen 1 ein
Kontaktierungsbereich 10 ergibt.
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6 zeigt
eine weitere Ausgestaltung eines Formwerkzeuges und die Einbringung
des (hier nicht aufschäumbaren)
Kunststoffmaterials zur Herstellung eines Zielbauteils. Nachdem
das Transfermedium mit Leiterstrukturen gemäß 1 vorbereitet wurde,
wird es in ein Formwerkzeug eingelegt, welches in diesem Ausführungsbeispiel
auch aus dem ersten Formteil 3 und zumindest dem weiteren
Formteil 8 besteht. Dieses Formwerkzeug ist Bestandteil oder
angeschlossen an einer an sich bekannten Extrudiervorrichtung 11,
wobei das formbare Kunststoffmaterial in Form von Granulat 12 über eine
Schnecke 13 dem Formwerkzeug zugeführt wird. Dabei wird das Granulat 12 während der
Zufuhr über
Heizmittel 14 erhitzt, so dass am Ende der Extrudiervorrichtung 11 eine
erhitzte Kunststoffschmelze 15 über eine entsprechende Einfüllöffnung des
Formwerkzeuges diesem zugeführt
werden kann. Die Kunststoffschmelze 15 füllt den
innen liegenden Freiraum des Formteils 3, 8 auf
und umgibt dabei auch gleichzeitig das Transfermedium und für den Fall,
dass die Leiterstrukturen 1 nach innen gerichtet sind,
auch diese Leiterstrukturen 1. Dieser Sachverhalt ist in
der Detailansicht der 6 gezeigt. An dieser Stelle
sei erwähnt,
dass die Folie 2 mit den darauf oder darin angeordneten
Leiterstrukturen 1 nicht zwangsweise an der Oberfläche eines
der Formteile 3, 8 angeordnet sein muß, sondern
auch so in dem von den Formteilen 3, 8 gebildeten
Freiraum angeordnet sein kann, dass sie zumindest teilweise, insbesondere
vollständig
von der Kunststoffschmelze 15 umgeben wird. Nach dem Erstarren
der erhitzten Kunststoffschmelze 15 kann dann das Zielbauteil
(siehe 5) dem Formwerkzeug entnommen und einer weiteren
Bearbeitung unterzogen werden (insbesondere erfolgt das Abziehen
des Transfermediums, das nicht mehr benötigt wird).
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- 1
- Leiterstrukturen
- 2
- Folie
- 3
- erstes
Formteil
- 4
- Lackfolie
- 5
- PUR-Schicht
- 6
- Auftragswerkzeug
- 7
- Düse
- 8
- weiteres
Formteil
- 9
- Zielbauteil
- 10
- Kontaktierungsbereich
- 11
- Extrudiervorrichtung
- 12
- Granulat
- 13
- Schnecke
- 14
- Heizmittel
- 15
- erhitzte
Kunststoffschmelze