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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundkörper mit EMV-Schutz und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Verbundkörpers mittels Faserspritzen.
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Stand der Technik
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Für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen ist das Verfahren des Faserspritzens beispielsweise thermoplastischer Hybridgarne bekannt.
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Das Dokument
DE 26 17 741 C3 , beispielsweise, offenbart ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten, hydraulisch erhärtenden Massen. Bei einem derartigen Verfahren werden die Matrix und die Fasern durch Übereinanderspritzen unter Bewirkung eines Mischeffektes in einem Faserspritzverfahren gegen eine Fläche gesprüht. Dabei wird die faserbewehrte fließfähige Mischung gegen eine als Prallfläche dienende Fläche gesprüht und sodann durch Abtropfenlassen, Abgleitenlassen, Abstreifen, Abschütteln, Abschleudern oder dergleichen von der Prallfläche abgezogen und dem Verwendungsort zugeführt. Zur Verwendung als mögliche Matrix sind in diesem Dokument solche genannt, die Verflüssiger und/oder Luftporenbildner, wie beispielsweise Vinsolharz, Ligninsulfonat, Melaminharz und/oder Verarbeitungshilfen, etwa auf Basis von Methylcellulose und/oder Polyethylenoxid enthalten. Als mögliche Verstärkungsfasern kommen gemäß diesem Dokument mineralische Fasern, wie etwa Glasfasern, Stein- und Schlackenwollen sowie Kohlenstofffasern, Metallfasern und organische Fasern in Betracht.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verbundkörper, umfassend eine Kunststoffmatrix, in der eine erste Gruppe von Verstärkungsfasern angeordnet ist und in der eine zweite Gruppe von Verstärkungsfasern angeordnet ist, wobei die zweite Gruppe von Verstärkungsfasern Metallfasern umfasst, und wobei bezüglich der Konzentration der zweiten Gruppe von Verstärkungsfasern ein definierter Konzentrationsgradient vorliegt.
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Unter einem Verbundkörper kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Element verstanden werden, das wenigstens zwei unterschiedliche Materialien umfasst, die miteinander verbunden sein können. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind dies insbesondere die Kunststoffmatrix sowie die erste und die zweite Gruppe von Verstärkungsfasern. Die Verstärkungsfasern können dabei in der Kunststoffmatrix derart eingebettet sein, dass sie beispielsweise durch Adhäsiv- oder Kohäsivkräfte an das Kunststoffmaterial gebunden sind.
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Eine Kunststoffmatrix kann somit insbesondere ein Kunststoffmaterial sein, in welchem die Verstärkungsfasern eingebettet und somit von dem Kunststoffmaterial insbesondere vollständig umgeben sind.
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Eine Verstärkungsfaser kann dabei eine an sich etwa aus einem Faser-Kunststoff-Verbund bekannte Faser sein, welche insbesondere dem Verbund eine vergrößerte Stabilität verleihen kann. Eine Gruppe von Verstärkungsfasern kann im Sinne der vorliegenden Erfindung dabei insbesondere eine Art an Verstärkungsfasern, also Verstärkungsfasern eines bestimmten Materials oder einer bestimmten Materialgruppe bedeuten.
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Die zweite Gruppe der Verstärkungsfasern kann dabei Metallfasern umfassen. Somit liegen in dem Verbundkörper neben der ersten Gruppe an Verstärkungsfasern Metallfasern vor. Diese können insbesondere in Form eines Metallfasergeflechts in dem Verbundkörper vorliegen, wobei durch die Metallfasern beziehungsweise durch das Metallfasergeflecht ein Faradayscher Käfig erzeugbar beziehungsweise ausgestaltet sein kann.
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Daher kann der erfindungsgemäße Verbundkörper nicht nur eine hohe mechanische Stabilität aufweisen, sondern er kann zusätzlich durch die Anordnung der Metallfasern einen EMV-Schutz ermöglichen, der mit herkömmlichen Kunststoffmaterialien beziehungsweise Faser-Kunststoff-Verbünden nicht möglich ist. Der erfindungsgemäße Verbundkörper kann daher beispielsweise in Form eines Bauteilgehäuses ein Metallgehäuse ersetzen, da neben der mechanischen Stabilität ferner die Anforderung an Gehäuse von elektrischen Schaltungen, beispielsweise, erfüllt werden, einen wirksamen EMV-Schutz bereit zu stellen.
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Ein EMV-Schutz kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere einen Schutz insbesondere elektronischer Komponenten vor unerwünschten Wechselwirkungen mit elektrischen beziehungsweise elektromagnetischen Strahlungen bedeuten.
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Um einen geeigneten EMV-Schutz zu bewirken, können die Metallfasern in einer Ausgestaltung mit einem Durchmesser von ≥ 30 µm bis ≤ 120 µm ausgestaltet sein und/oder Längen von ≥ 0,5 mm bis ≤ 6 mm aufweisen.
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Bezüglich der zweiten Gruppe von Verstärkungsfasern beziehungsweise der Metallfasern ist in dem Verbundkörper ein definierter Konzentrationsgradient vorgesehen. Das kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass die Konzentration der zweiten Gruppe an Verstärkungsfasern in dem Verbundkörper lokal unterschiedlich gestaltet ist. So kann beispielsweise in einigen Bereichen eine hohe Konzentration an metallischen Verstärkungsfasern vorliegen, wohingegen deren Konzentration in weiteren Bereichen des Verbundkörpers geringer sein kann. Dadurch kann es erfindungsgemäß möglich werden, durch eine gezielte und definierte Anordnung der Metallfasern den Verbundkörper an das gewollte Anwendungsgebiet anzupassen beziehungsweise für eine gewünschte Anwendung maßzuschneidern. Im Detail kann beispielsweise an manchen Positionen des Verbundkörpers eine für Faser-Kunststoff-Verbünde bekannte Stabilität und nur ein geringer EMV-Schutz vorliegen, oder es kann gezielt eine mechanische Verstärkung beziehungsweise ein hoher EMV-Schutz vorgesehen sein, wobei die vorgenannten Beispiele nicht beschränkend sind.
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Als Verstärkungsfasern der ersten Gruppe können in dem Verbundkörper ohne auf die folgenden Beispiele beschränkt zu sein etwa anorganische Verstärkungsfasern, wie beispielsweise Glasfasern oder Keramikfasern, Basaltfasern, Borfasern oder Kieselsäurefasern, oder auch organische Verstärkungsfasern, wie beispielsweise Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Polyesterfasern, Nylonfasern, Plexiglasfasern, Polyethylenfasern oder auch Naturfasern, wie beispielsweise Holzfasern, Flachsfasern, Hanffasern oder Sisalfasern Verwendung finden. Diese können beispielsweise in einer Konzentration in dem Verbundkörper vorliegen, die in einem Bereich von ≥ 5 Gew.-% bis ≤ 70 Gew.-%, bevorzugt ≥ 10 Gew.-% bis ≤ 60 Gew.-% liegt. Darüber hinaus können die Verstärkungsfasern der ersten Gruppe einen Länge von ≥ 0,3 mm bis ≤ 10 cm und einen Durchmesser von etwa ≥ 10 µm bis ≤ 15 µm aufweisen.
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Bezüglich der Konzentration der ersten Gruppe an Verstärkungsfasern kann der Verbundkörper weiterhin einen Konzentrationsgradienten oder eine im Wesentlichen konstante Konzentration aufweisen. Eine im Wesentlichen konstante Konzentration kann dabei insbesondere eine Konzentration bedeuten, die in einem einheitlichen Bereich liegt, wobei jedoch herstellungsbedingte Abweichungen beispielsweise unbeachtet bleiben können. Somit kann insbesondere an jeder Stelle des Verbundkörpers die gleiche Konzentration an der ersten Gruppe von Verstärkungsfasern vorliegen.
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Die Konzentration der ersten Gruppe an Verstärkungsfasern kann dabei an den Konzentrationsgradienten der zweiten Gruppe an Verstärkungsfasern angepasst werden. Somit kann beispielsweise ein variabler EMV-Schutz bei gleichzeitig konstanter mechanischer Stabilität vorgesehen sein, indem die Gesamtmenge an Verstärkungsfasern konstant bleiben kann. Ferner können bei einer konstanten Konzentration der ersten Gruppe der Verstärkungsfasern nur dort Verstärkungsfasern der zweiten Gruppe vorgesehen sein, wo eine mechanische Verstärkung oder ein EMV-Schutz notwendig ist. Darüber hinaus kann eine Anbindung der Metallfasern an andere Bauteile, wie beispielsweise an eine Gehäuserückseite, um einen Faradayschen Käfig zu schließen, realisiert werden, indem an einem Randbereich der Bauteile eine erhöhter Metallfaseranteil vorgesehen ist.
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Weiterhin können die in dem Verbundkörper verteilten Metallfasern auf ein Minimum reduziert werden, wodurch Kosten bei der Herstellung ebenso eingespart werden können, wie Gewicht, was das Anwendungsgebiet weiter verbreitert und die Verwendbarkeit erleichtert.
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Im Rahmen einer Ausgestaltung können die Metallfasern in dem Verbundkörper räumlich begrenzt angeordnet sein. Dadurch kann beispielsweise und insbesondere bei der Verwendung des Verbundkörpers als Bauteilgehäuse die elektrische Abschirmung nur dort vorgesehen sein, wo sie benötigt wird. An Positionen eines nicht benötigten EMV-Schutzes beziehungsweise einer nicht benötigten mechanischen Verstärkung dagegen kann auf das Vorsehen der Metallfasern und damit auf einen EMV-Schutz beziehungsweise auf eine mechanische Verstärkung insbesondere vollständig verzichtet werden. Dadurch kann das Verbundbauteil in dieser Ausgestaltung besonders kostengünstig ausgestaltet sein und ferner eine besonders gute Anpassbarkeit an das gewünschte Anwendungsgebiet bieten. In dieser Ausgestaltung ist der Konzentrationsgradient der zweiten Gruppe an Verstärkungsfasern somit derart ausgestaltet, dass lokal in dem Verbundkörper insbesondere vollständig auf die zweite Gruppe der Verstärkungsfasern verzichtet werden kann, die Konzentration also, von herstellungsbedingten Schwankungen abgesehen, lokal im Wesentlichen null sein kann. Insgesamt kann der Konzentrationsgradient der Metallfasern in allen Raumrichtungen vorliegen, also beispielsweise entlang der Dicke und/oder entlang der Breite des Verbundkörpers.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können die Metallfasern in einem innenliegenden von der Oberfläche getrennten Bereich des Verbundkörpers oder an der Oberfläche des Verbundkörpers räumlich begrenzt vorliegen.
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Ein auf einen innenliegenden Bereich räumlich begrenztes Vorliegen der zweiten Gruppe an Verstärkungsfasern beziehungsweise der Metallfasern kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass die zweite Gruppe an Verstärkungsfasern beispielsweise nur im Kern des Verbundkörpers angeordnet sind, jedoch nicht unmittelbar an der Oberfläche des Verbundkörpers. Hier liegt der Konzentrationsgradient somit insbesondere entlang der Dicke des Verbundkörpers vor. In dieser Ausgestaltung können die Oberflächeneigenschaften des Verbundkörpers insbesondere unabhängig von den Metallfasern ausgestaltet sein, und somit nur durch die Kunststoffmatrix beziehungsweise die erste Gruppe der Verstärkungsfasern beeinflussbar sein. Dadurch können die Oberflächeneigenschaften besonders definiert vorliegen. Beispielsweise kann der Farbeindruck des Verbundkörpers in dieser Ausgestaltung unabhängig von den Metallfasern sein, ohne jedoch einen EMV-Schutz in dem Verbundkörper vernachlässigen zu müssen.
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Darüber hinaus kann in dieser Ausgestaltung sichergestellt werden, dass der vorgesehene EMV-Schutz nicht durch geringe, an der Oberfläche des Verbundkörpers auftretende Beschädigungen eingeschränkt beziehungsweise reduziert wird. Denn die den EMV-Schutz ausbildende Metallfasern sind durch ihre innenliegende Anordnung vor äußeren Einflüssen geschützt. Dadurch kann ein EMV-Schutz in dieser Ausgestaltung besonders sicher und verlässlich ausgestaltet sein, was insbesondere bei der Verwendung als EMV-schützendes Gehäuse für sensible elektronische Anordnungen von Vorteil sein kann.
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Ein auf die Oberfläche räumlich begrenztes Vorliegen der zweiten Gruppe an Verstärkungsfasern beziehungsweise der Metallfasern kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass die Metallfasern beispielsweise nur an der Oberfläche beziehungsweise in einem an die Oberfläche grenzenden Bereich vorliegen, jedoch nicht durchgängig durch die gesamte Dicke verteilt sind. Beispielsweise kann in dieser Ausgestaltung ein innenliegender Bereich vorgesehen sein, in dem keine Metallfasern angeordnet sind. Somit ist der Konzentrationsgradient in dieser Ausgestaltung insbesondere entlang der Dicke des Verbundkörpers ausgebildet. In dieser Ausgestaltung kann beispielsweise ein besonders gut ausgeprägter elektrostatischer Schutz, also insbesondere ein Schutz vor elektrostatischer Aufladung, umgesetzt werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Verbundkörper zumindest teilweise eine Konzentration an Metallfasern aufweisen, die in einem Bereich von ≥ 0,5 % bis ≤ 60 % liegt. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann ein wirksamer EMV-Schutz realisiert werden, der im Wesentlichen vor elektromagnetischer Strahlung unterschiedlichster Wellenlängen schützen kann. Bedingt durch den Konzentrationsgradienten der Metallfasern in dem Verbundkörper kann dabei in weiteren Bereichen des Verbundkörpers eine höhere oder niedrigere Konzentration an Metallfasern vorgesehen sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Kunststoffmatrix aus einem Material ausgebildet sein, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend oder bestehend aus Polyurethan, thermoplastischen Polymeren und Polyalkylenterephtalaten. Derartige Polymermaterialien sind in besonders vorteilhafterweise etwa für einen Faserspritzprozess geeignet, indem sie die Verstärkungsfasern fein verteilt aufnehmen können und diese ferner in einem hergestellten Verbundkörper gut durch Adhäsionskräfte beziehungsweise Kohäsionskräfte an sich binden können. Als thermoplastische Polymere können beispielsweise Verwendung finden Polyamide, Polyethylen, Polypropylen und Polyalkylenterephthalat. Bezüglich Polyalkylenterephtalaten können beispielsweise Polyethylenterephtalat oder Polybutylenterephtalat Verwendung finden, wie beispielsweise das unter dem Handelsnamen Twintex der Firma Saint Gobain Vetrotex vertriebene Polyalkylenterephtalat. Bezüglich der Verwendung von Polyurethan kann der Verbundkörper in dieser Ausgestaltung durch ein sogenanntes Polyurethan-Faserspritzen (Long Fibre Injection, LFI) hergestellt werden. Dabei können beispielsweise in einem Mischkopf die Komponenten Isocyanat und Polyol vermischt werden, um so stromaufwärts eines Sprühkopfes das Polyurethan zu bilden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die zweite Gruppe von Verstärkungsfasern beziehungsweise können die Metallfasern Aluminiumfasern und/oder Kupferfaser und/ oder Silberfasern umfassen beziehungsweise sein. Insbesondere derartige Fasern können eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die in einem Bereich von 30·10^6 S/m oder höher liegen kann und damit einen besonders effektiven EMV-Schutz bei gleichzeitig hoher Stabilität bieten kann. Darüber hinaus sind derartige Metalle vorteilhaft als Faser insbesondere in einem Faserspritzverfahren verarbeitbar. Insbesondere können derartige Fasern gleichmäßig in eine Kunststoffmatrix verteilt werden und ferner auf einfache Weise durch herkömmliche Schneideapparaturen in eine geeignete Länge geschnitten werden, um so etwa in einem Faserspritzprozess definiert verarbeitet zu werden.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers, wobei eine erste Gruppe von Verstärkungsfasern und eine zweite Gruppe von Verstärkungsfasern mit dem Material einer Kunststoffmatrix in einem Faserspritzprozess derart als Zwischenprodukt auf ein Substrat aufgebracht wird, dass die zweite Gruppe von Verstärkungsfasern einen Konzentrationsgradienten aufweist, wobei die zweite Gruppe von Verstärkungsfasern Metallfasern umfasst, und wobei das Zwischenprodukt insbesondere unter Druckanwendung zu einem geformten Verbundkörper verarbeitet wird.
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Das vorbeschriebene Verfahren, um einen erfindungsgemäßen Verbundkörper herzustellen, basiert auf einem Faserspritzprozess. Eine Ausgestaltung eines Faserspritzprozesses kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere folgendermaßen ablaufen. Bei einem derartigen Verfahren können Endlosfasern der ersten und der zweiten Gruppe als Ausgangsmaterial zusammen mit Kunststofffasern direkt beispielsweise als Roving in eine Sprüheinheit gezogen werden. Dabei können sie beispielsweise an der Sprüheinheit von einem Schneideelement, wie etwa von einem Schnittmesser, in Faserstücke geschnitten werden. Mit Hilfe eines Heißluftstroms, beispielsweise, oder auch in dem sogenannten Airless-Verfahren können die geschnittenen Fasern, also die Verstärkungsfasern und die Kunststofffasern des Matrix-Materials, auf eine luftdurchlässige Form gesprüht werden. Dabei können die Kunststofffasern beispielsweise durch eine Einwirkung von Heißluft zum Teil an der Oberfläche aufgeschmolzen werden, was zu einem ersten Zusammenhaften der Faserbündel führen kann. In einem zweiten Schritt können die aufgesprühten Fasern, beziehungsweise das aufgesprühte Zwischenprodukt beziehungsweise Halbzeug beispielsweise in einer Heißpresse in die endgültige Form, wie etwa in eine Form eines Bauteilgehäuses, gebracht werden.
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Dabei kann beispielsweise durch eine Einstellung der Konzentration beziehungsweise Menge der zugeführten Metallfasern, insbesondere im Verhältnis zu der ersten Gruppe der Verstärkungsfasern beziehungsweise der Kunststoffmatrixfasern, und/oder durch eine zeitliche begrenzte Zufuhr der Metallfasern und/oder durch eine Relativbewegung von Substrat und Düse beziehungsweise Sprühvorrichtung ein Konzentrationsgradient in dem hergestellten Verbundbauteil realisiert werden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren können entkonturnahe Bauteile hergestellt werden, die durch das gezielte Einbringen von Metallfasern hohe mechanische Eigenschaften besitzen und gleichzeitig einen guten EMV-Schutz ermöglichen. Dadurch ist es realisierbar, mechanisch stabile beziehungsweise steife, leichte und kostengünstige EMV-geschützte Kunststoff-Verbundkörper, wie etwa Bauteilgehäuse, herzustellen, wobei bei der Herstellung für den EMV-Schutz kein weiterer Verfahrensschritt, wie etwa eine zusätzliche Beschichtung, notwendig ist. Es ist damit beispielsweise eine kostengünstige Herstellung von Langfaser gefüllten Bauteilen möglich, die hohe mechanische Eigenschaften aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher den Vorteil bieten, dass in nur einem Verfahrensschritt beispielsweise ein Bauteilgehäuse automatisiert gefertigt werden kann, dass sowohl hohe mechanische als auch EMV-Schutz-Eigenschaften aufweist. Dabei können zudem Bauteile mit geringen bis hin zu großen Dimensionen ermöglicht werden. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens kann darin gesehen werden, dass durch die ermöglichte kostengünstige Prozess- und Maschinentechnik und die ferner möglichen kurzen Zykluszeiten ein Verfahren sowohl mit hoher Stückzahlflexibilität als auch mit Großserientauglichkeit realisierbar ist.
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Dabei ist es ferner möglich, eine lokal gezielte Aufdickung durch eine verlängerte Sprühzeit an Stellen der Bauteile vorzusehen, die einer höheren mechanischen Last ausgesetzt sind. Dadurch kann eine weiter verbesserte Anpassbarkeit an das gewünschte Anwendungsgebiet realisiert werden. Ferner kann durch die definierte Anordnung der Metallfasern ein Verbund mit einer elektrischen Leitfähigkeit erzielt werden.
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Im Rahmen einer Ausgestaltung kann die erste Gruppe von Verstärkungsfasern und die zweite Gruppe von Verstärkungsfasern gleichzeitig und/oder abwechselnd insbesondere gemeinsam mit dem Material der Kunststoffmatrix auf das Substrat aufgebracht werden. Somit kann in dieser Ausgestaltung die erste Gruppe an Verstärkungsfasern etwa gemeinsam mit dem Material der Kunststoffmatrix wie insbesondere Kunststofffasern beispielsweise kontinuierlich etwa in den Sprühkopf eingetragen werden und dadurch beispielsweise eine konstante Konzentration dieser Verstärkungsfasern ermöglicht werden. Dabei können die Metallfasern in variierender Konzentration beziehungsweise Menge zusätzlich dem Sprühkopf zugetragen und zusammen mit den weiteren Verstärkungsfasern beziehungsweise den Matrixfasern versprüht werden. Alternativ oder zusätzlich ist es in einer Ausgestaltung möglich, lediglich eine Art an Verstärkungsfasern dem Sprühkopf zuzuführen und so zu versprühen. Folglich werden die unterschiedlichen Gruppen von Verstärkungsfasern abwechselnd beziehungsweise jeweils nacheinander versprüht. So ist es beispielsweise möglich, einen elektrisch leitfähigen Kern darzustellen bei gleichzeitigem Erhalt der elektrisch isolierenden Eigenschaften des Gesamtverbunds.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Bauteilgehäuse, wobei das Bauteilgehäuse einen erfindungsgemäßen Verbundkörper aufweist beziehungsweise aus diesem ausgebildet ist. Ein erfindungsgemäßes Bauteilgehäuse kann insbesondere die bezüglich des Verbundbauteils beschriebenen Vorteile aufweisen. Insbesondere kann ein derartiges Bauteilgehäuse auf einfache Weise hergestellt werden, eine hohe mechanische Stabilität zusammen mit einer guten EMV-Schutz bieten und dabei bezüglich des gewünschten Anwendungsgebiets maßgeschneidert werden.
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Somit kann auch für komplexe Bauteile ein einteiliges Gehäuse mit lokal unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt werden, was eine besonders große Variabilität verbunden mit einer kostengünstigen Herstellung ermöglicht. Der EMV-Schutz kann dabei von der Frequenz und der Stärke beispielsweise von elektromagnetischer Strahlung abhängen. Erfindungsgemäß kann daher das Bauteilgehäuse durch einen Konzentrationsgradienten der Metallfasern an unterschiedliche Bauteile beziehungsweise an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden. So kann an unterschiedlichen Bereichen etwa eines Gehäuses ein geringer EMV-Schutz, ein hoher EMV-Schutz oder die Abwesenheit eines EMV-Schutzes erwünscht sein. Entsprechendes gilt für eine mechanische Verstärkung. Als zu schützendes Bauteil, für welches das erfindungsgemäße Bauteilgehäuse Verwendung finden kann, können beispielsweise und nicht beschränkend Steuergeräte, Sensoren, Batteriepacks, beispielsweise von Lithium-Ionen-Batterien, oder auch elektrische Schaltungen genannt werden. Hier kann das erfindungsgemäße Bauteilgehäuse insbesondere Metallgehäuse ersetzen oder Kunststoffgehäuse, um beispielsweise einen leiterplattenseitig bestehenden EMV-Schutz in das Gehäuse integrieren zu können.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Verbundkörpers zum Herstellen eines Bauteilgehäuses mit EMV-Schutz. In dieser Ausgestaltung der Erfindung kann ein EMV-Schutz auf besonders einfache und kostengünstige Weise durch ein Faserspritzverfahren erzeugt werden. Auf das Vorsehen einer Beschichtung für eine EMV-Abschirmung kann somit verzichtet werden, so dass weitere Arbeitsschritte eingespart werden können. Darüber hinaus kann durch die Verwendung eines wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Verbundkörpers auf das Verwenden von Stahlgehäusen, beispielsweise, verzichtet werden. Dadurch können Kosten eingespart werden, da der Verbundkörper im Vergleich zu Metallgehäusen kostengünstiger geformt werden kann. Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäße Verwendung eines derartigen Verbundkörpers zu EMV-Schutzzwecken eine deutliche Gewichtsersparnis, was eine besonders große Anwendungsvielfalt mit sich bringt.
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Zeichnungen und Beispiele
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers;
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2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers; und
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3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Faserspritzvorrichtung geeignet zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers.
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In 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers 10 gezeigt. Der Verbundkörper 10 umfasst eine Kunststoffmatrix 12, in der eine erste Gruppe von Verstärkungsfasern angeordnet ist und in der eine zweite Gruppe von Verstärkungsfasern angeordnet ist. Dabei umfasst die zweite Gruppe von Verstärkungsfasern Metallfasern 14. Darüber hinaus liegt bezüglich der Konzentration der zweiten Gruppe von Verstärkungsfasern ein definierter Konzentrationsgradient vor.
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Die Kunststoffmatrix 12 kann dabei aus einem Material ausgebildet sein, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Polyurethan, thermoplastischen Polymeren und Polyalkylenterephtalaten. Ferner kann die zweite Gruppe von Verstärkungsfasern beziehungsweise können die Metallfasern 14 Aluminiumfasern und/oder Kupferfasern und/oder Silberfasern umfassen.
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Ein derartiger Verbundkörper 10 kann beispielsweise ein Bauteilgehäuse sein oder einen Teil des Bauteilgehäuses bilden. Durch die Metallfasern 14 kann der Verbundkörper 10 beziehungsweise das Bauteilgehäuse neben einer hohen Stabilität einen effektiven EMV-Schutz realisieren.
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Darüber hinaus kann der Konzentrationsgradient derart ausgestaltet sein, dass die Metallfasern 14 in dem Verbundkörper 10 räumlich begrenzt vorliegen beziehungsweise angeordnet sind. In der Ausgestaltung gemäß 1 liegen die Metallfasern 14 in einem innenliegenden Bereich 16 des Verbundkörpers 10 begrenzt vor, wobei der innenliegende Bereich 16 von einer Oberfläche 18, 28 etwa durch einen Bereich ohne Metallfasern 14, getrennt ist. Dementsprechend kann der innenliegende Bereich 14 von beispielsweise zwei außenliegenden Bereichen beziehungsweise Oberflächenbereichen 20, 22 umgeben sein, so dass die Metallfasern 14 im Wesentlichen nicht an der Oberfläche 18, 28 des Verbundkörpers 10 vorliegen.
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In 2 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbundkörpers 10 gezeigt. In der Ausgestaltung gemäß 2 liegen die Metallfasern 14 an der Oberfläche 18 beziehungsweise an einem Oberflächenbereich 24 des Verbundkörpers 10 räumlich begrenzt vor. In einem darunterliegenden Bereich 26, der beispielsweise ein innenliegender Bereich oder ein Bereich, der die gegenüberliegende Oberfläche 28 bildet, sein kann, liegen dagegen keine Metallfasern 14 vor. Somit können die Metallfasern 14 in anderen Worten nur einseitig beziehungsweise außenliegend in dem Verbundkörper 10 vorliegen.
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Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung können die Metallfasern 14 zumindest teilweise, also in einem Bereich, in dem ein EMV-Schutz oder eine mechanische Verstärkung erwünscht ist, in einem Konzentrationsbereich von wenigen Prozenten bis 50 % und mehr vorliegen, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 0,5% bis ≤ 60%.
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In 3 ist eine beispielhafte Vorrichtung 30 zum Faserspritzen gezeigt, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils 10 realisierbar ist.
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Die Vorrichtung 30 kann eine Sprüheinheit umfassen, in welche beispielsweise Endlosfasern beziehungsweise Langfasern der ersten und der zweiten Gruppe der Verstärkungsfasern als Ausgangsmaterial der jeweiligen Verstärkungsfasern zusammen mit Kunststofffasern als Ausgangsmaterial für die Kunststoffmatrix 12, beispielsweise als Roving, gezogen werden können. Als Sprüheinheit kann beispielsweise eine Venturi-Düse 32 dienen, in welcher die einzelnen Fasern nach einem Schneiden der Fasern in geeignete Längen durch einen Luftstrom angesaugt und versprüht werden. Die Fasern werden dann, beispielsweise unter Zuhilfename von Leitblechen 34, auf ein insbesondere luftdurchlässiges Substrat 36 gesprüht. Stromaufwärts des Substrats 36 können die Fasern durch einen von Lufterhitzern 38 erzeugten heißen Luftstrom 40 erhitzt und so angeschmolzen werden. Somit können die erste Gruppe von Verstärkungsfasern und die zweite Gruppe von Verstärkungsfasern mit dem Material einer Kunststoffmatrix in einem Faserspritzprozess als Zwischenprodukt auf das Substrat 36 aufgebracht beziehungsweise aufgesprüht werden. Unterhalb des Substrats 36 kann eine Absaugung 42 vorgesehen sein, um den Luftstrom abzusaugen, was durch den Pfeil 44 angedeutet sein soll.
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Bei der Verwendung von Polyurethan als Kunststoffmatrix 12, beispielsweise, können dabei die Rovings der Verstärkungsfasern der ersten und/oder der zweiten Gruppe gefördert werden. Parallel hierzu können in einer Mischkammer aus zwei Polyurethan-Komponenten, beispielsweise einem Isocyanat und einem Polyol, beispielsweise nach dem Gegenstrom-Hochdruck-Mischprinzip vermischt werden, wodurch sich Polyurethan bilden kann, welches als Matrixmaterial dienen kann.
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Der Mischkopf, beispielsweise ein LFI-Mischkopf, kann dann mittels eines Roboters über eine offene Form verfahren und das Faser/Polyurethan-Gemisch in die Form eingetragen werden. Der Eintrag kann dabei entsprechend der Bauteilgeometrie und den Anforderungen innerhalb des Verbundkörpers frei wählbar sein. Nach Beendigung des Materialeintrags kann die Form geschlossen werden und durch das Einwirken von Druck und/oder Hitze die endgültige Form erzeugt werden. Nach Aushärten kann das erzeugte Verbundbauteil entformt werden.
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Ein derartiges Verfahren verwendend Polyurethan kann dabei beispielsweise bei Großserien, etwa in der Automobilindustrie, eingesetzt werden. Denn durch das zeitgleiche, automatisierte Eintragen von Matrix und Fasern und durch eine recht schnelle Reaktionszeit insbesondere einer Matrix umfassend Polyurethan ist ein kostengünstiger Reaktionszyklus realisierbar.
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Um zu ermöglichen, dass die zweite Gruppe von Verstärkungsfasern beziehungsweise die Metallfasern 14, einen Konzentrationsgradienten aufweist, kann die zweite Gruppe von Verstärkungsfasern beispielsweise in einer variierenden Menge oder zeitlich begrenzt in die Sprühvorrichtung eingeführt werden. Dabei kann die erste Gruppe von Verstärkungsfasern und die zweite Gruppe von Verstärkungsfasern gleichzeitig und/oder abwechselnd in der Kunststoffmatrix 12 auf das Substrat 36 aufgebracht werden. Darüber hinaus kann das Substrat 36 unter der Sprüheinheit verfahren werden, was die Formung vereinfacht und ferner eine Konzentrationssteuerung der Faseranteile zulässt.
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Bezüglich der Länge der Fasern kann hier auch eine definierte Längenverteilung von vorzugsweise 0,2–50 mm von Vorteil sein, um beispielsweise ein verbessertes Sturzverhalten beziehungsweise eine verbesserte Stabilität und/oder eine punktuelle Verstärkung der Verbundkörper 10 zu realisieren.
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In einem weiteren Schritt können die aufgesprühten Fasern, beziehungsweise das aufgesprühte Zwischenprodukt beziehungsweise Halbzeug, von dem Substrat 36 entfernt werden und, beispielsweise in einer nicht dargestellten Heißpresse, in die endgültige Form, wie etwa in eine Form eines Bauteilgehäuses, gebracht werden, also unter Druckanwendung zu einem geformten Verbundkörper 10 verarbeitet werden. Dazu kann das Substrat beispielsweise bereits in einer Form angeordnet sein, so dass durch Schließen der Form und durch Anwendung von Druck und/oder Hitze die gewünschte Form erzeugbar sein kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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