DE102011100555A1 - Verfahren zur Herstellung einer digital erzeugten, leitfähigen Funktionsschicht in elastischen Substraten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer digital erzeugten, leitfähigen Funktionsschicht in elastischen Substraten Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines biegefähigen und/oder elastischen Substrates (18) mit einer leitfähigen Funktionsschicht (10) wobei das Substrat aus zwei sich überlagernden, biegefähigen und/oder elastischen Teilschichten (12 und 14) besteht. Zwischen den Teilschichten werden digital gesteuert, aushärtbare Flüssigkeitströpfchen zur Bildung einer geometrischen Abmessung einer leitfähigen Funktionsschicht (10) aufgebracht. Die obere Teilschicht (14) bildet mit der unteren Teilschicht (12) und der dazwischen aufgebrachten Funktionsschicht (10) einen festen Verbund. Die Materialeigenschaften der substratbildenden Teilschichten (12 und 14) sind so aufeinader abgestimmt, dass sich bei einem Verbiegen des Substrates die leitfähige Funktionsschicht (10) in einem verformungsminimierten Schichtbereich (18) befindet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von digital gesteuert aufgebrachten, leitfähigen Schichtbereichen auf biegefähigen und/oder elastischen Schichtflächen von Körpern oder Bauteilen, bei denen bei Verformungen die Funktionalität der Funktionsschicht erhalten bleibt.
  • Bekannt ist, dass leitfähige Substanzen in flüssiger Form mittels elektronisch gesteuerter Druckköpfe in Tröpfchen auf eine Oberfläche abgegeben werden und dort härten. Durch diese Technik ist es möglich leitende Strukturen (Leiterbahnen) auf Platinen oder Oberflächen von Körpern oder Bauteilen aufzubringen. Diese leitenden Flüssigkeiten sind darauf ausgelegt, nach ihrem gezieltem Auftrag auf einen Untergrund und ihrem Trocknungsprozess eine optimale Leitfähigkeit und Haftfähigkeit auf dem Trägersubstrat zu erreichen. Die leitfähigen Flüssigkeiten haben, wie bekannt, in einer Ausführungsform z. B. feinste metallhaltige Partikel (Blättchen, Tröpfchen) beigemengt. Wie bei Silbertinten bekannt, kann die Leitfähigkeit durch nachträgliche Wärmebehandlung (sintern) noch erhöht werden.
  • Die Problemstellung ergibt sich daher dass bei, mittels Digitaldruck aufgebrachten, leitfähigen Strukturen auf Oberflächen von elastischen sich verformenden Bauteilen, bei deren Oberflächendehnung oder Oberflächenstauchung, die Leitfähigkeit beeinträchtigt oder zerstört wird. Sind gute Haftungseigenschaften der digital aufgebrachten Leiterbahn auf einer Trägerschicht gegeben und es findet eine Verformung dieser Trägerschicht z. B. Oberflächenausdehnung über einen Biegevorgang um z. B. 180 Grad statt, ist die digitale, leitfähige Struktur nicht in der Lage, diese Verformung „Dehnung und Rückstellung” elastisch mit zu vollziehen. Es bilden sich Dehnungsrisse.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zu schaffen, eine durch digital gesteuerte Flüssigkeitströpfchen hergestellte Funktionsschicht in eine elastische und/oder verformbare Materialschicht des Substrates einzubringen und deren Funktionalität dauerhaft zu gewährleisten.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass in der Elektro-/Elektronikindustrie z. B. Leiter oder Leiterbahnen mit zuverlässiger Funktionalität mit biegefähigen und/oder elastischen Bauteilen oder Produkten kostengünstig in Kombination verbaut werden können. Die Kombination von biegefähigen und/oder elastischen Schichten mit leitfähigen, nicht elastischen Schichten (digital aufgebrachte Funktionsschicht) wird hiermit ermöglicht.
  • Eine Lösung dieses Problems wird mit dem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
  • Die Unteransprüche 2 bis 9 sind auf vorteilhafte Durchführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.
  • Die Erfindung, die für unterschiedlichste Anwendungen eingesetzt werden kann, wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
  • Die Figuren stellen dar:
  • 1 eine schematische Gesamtansicht einer an sich bekannten Vorrichtung zur Beschichtung eines elastischen Substrates mit aushärtbaren Flüssigkeiten.
  • 2/a ein biegefähiges Substrat auf dessen Ober- und Unterseite eine Funktionsschicht aufgebracht ist.
  • 2/b ein gebogenes Substrat auf dessen Ober- und Unterseite eine Funktionsschicht aufgebracht ist.
  • 3 eine Darstellung zur Erläuterung der physikalischen Veränderung eines gebogenen elastischen Substrates.
  • 4/a einen Querschnitt durch zwei biegefähige und/oder elastische Substrate mit einer dazwischen aufgebrachten Funktionsschicht.
  • 4/b einen Querschnitt durch die zwei biegefähige und/oder elastische Substrate mit einer dazwischen aufgebrachten Funktionsschicht eine feste Verbindung bilden.
  • 4/c einen Querschnitt durch ein biegefähiges und/oder elastisches Substrat mit einer innenliegenden Funktionsschicht.
  • 4/d einen Querschnitt durch ein gebogenes, elastisches Substrat, wobei die Funktionsschicht in der Druckkammer unverändert bleibt.
  • 5/a einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform wobei in einem biegefähigen und/oder elastischen Substrat ein Kontaktvermittlungsbauteil zur Funktionsschicht integriert ist.
  • 5/b einen Querschnitt einer elastischen Verformung von 5/a wobei die Funktionsschicht mit Kontaktvermittlungsbauteil unverändert bleibt.
  • 6/a einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform wobei in einem biegefähigen und/oder elastischen Substrat eine Kontaktstelle zur Funktionsschicht ausgespart und ein Anschlussbauteil angebracht ist.
  • 6/b einen Querschnitt einer elastischen Verformung von 5/a wobei die Funktionsschicht mit Anschlussbauteil unverändert bleibt.
  • 7 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäß versehene Substratoberfläche mit funktionserweiterndem Elektro, -Elekronikmodul, wobei eine Kontaktstelle ausgeformt ist.
  • 8 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäß versehene, elastische Substratoberfläche mit funktionserweiternden Elektro, -Elekronikmodulen, wobei in der Oberschicht eine Kontaktstelle ausgespart ist.
  • Das Verfahren findet bevorzugt dort Anwendung, wo mittels Digitaldruckprozess, Elektrik oder Elektronik (Funktionsschichten) mit dauerhafter Funktionalität, mit elastischen, biegsamen oder rollbaren Materialien zu kombinieren sind. Beispielsweise für die Kombination von Schaltungen, Schaltkreisen oder Leiterbahnen mit biegefähigen Flächen oder Bauteilen. Nach diesem Verfahren kann eine Funktionsschicht (10) in biegefähige und/oder elastische Substrate (16) so eingebracht werden, dass nach deren mehrmaligem Verbiegen um mehr als 45 Grad oder nach einem mehrmaligen Rollvorgang um 360 Grad, die Funktionsschicht (10) keine Beeinträchtigungen aufweist.
  • Geeignete Materialien zur Bildung eines Substrates (18) aus zwei Substrat-Teilschichten (12 und 14) mit einem verformungsfreien Schichtbereich (16) sind:
    • – biegefähige und/oder elastische Kunststoffe in Form von Platten oder Folien (wie beispielsweise PS, PE, PP, PET, Acryl, Harze),
    • – Metalle in Blechform,
    • – Papier, Karton (Papiere mit Anteilen an Füllstoffen, Farbstoffen und/oder Kunststoffen)
    • – oder Substrate (18) die aus Materialkombinationen bestehen mit korrespondierenden, pysikalischen Verhalten Bevorzugte Materialstärken für Substrat-Teilschichten (12 und 14) sind 0,06 mm bis 5 mm.
  • 1/a zeigt eine Vorrichtung zum Beschichten eines biegbaren und/oder elastischen Subtrates mit aushärtbaren Flüssigkeiten,
    mit einer Aufbringeinrichtung (32),
    einer Halterung (36) zum Halten oder Führen einer Fläche (12) oder eines Bauteils (12, 14, 18),
    einer Bewegungseinrichtung (36) mittels der die Oberfläche des Substrates (18) relativ zu der Aufbringeinrichtung (32) bewegbar ist, sowie eine Härteeinrichtung und eine Messeinrichtung. Die Aufbringeinrichtung (32) enthält einen oder mehrere Düsenköpfe (34) mit Flüssigkeitsdüsen, aus denen Flüssigkeitströpfchen mit vorbestimmtem Volumen und Vorschub abspritzbar sind. Der oder die Düsenköpfe (34) sind mit Flüssigkeitsvorratsbehältern verbunden aus denen den Düsenköpfen bzw. deren Düsen unterschiedliche Flüssigkeiten für Funktionsschicht (10), Haftvermittlungsschicht, Isolationsschicht, Dekoraufnahmeschicht (40), Dekorschicht (42) und Deckschicht (44) zugeführt werden können. Der oder die Düsenköpfe (34) sind mittels eines nicht dargestellten Antriebs in z-Richtung vertikal und y-Richtung senkrecht zum Substrat bewegbar, so dass der oder die Düsenköpfe (34) relativ zu einer auf dem Endlosband (36) aufliegenden Fläche oder einem Körper beliebig bewegbar sind und aus dem oder den Düsenköpfen (34) Flüssigkeitströpfchen in genau vorbestimmter Weise auf vorbestimmte Stellen des Subtrates (12, 14, 18) aufgebracht werden.
  • Zur Positionsbestimmung des oder der Düsenköpfe (34) relativ zur Substratoberfläche kann in den oder die Düsenköpfe (34) eine nicht dargestellte Sensoreinrichtung integriert sein mit der einerseits die Position einer Düse relativ zur Substratoberfläche und anderseits die Position einer Düse relativ zur Substratoberfläche (12, 14, 18) in x-,y- und z-Richtung und beliebigen Neigungswinkeln bestimmt werden kann. Zur Steuerung der Aufbringeinrichtung bzw. des Abspritzens der Flüssigkeitströpfchen und der Relativbewegung zwischen den Düsen und den Oberflächen ist die in ihrem Aufbau an sich bekannte elektronische Steuerung (30) vorgesehen, die in unterschiedlichster Weise programmiert sein kann. Beispielsweise können in der elektronischen Steuereinrichtung (30) die Kontur der Körperoberfläche, deren Erstreckung in x-,y-,z-Richtung, Eigenschaften der aufzubringenden Flüssigkeit(en), differenzierte Mengensteuerung der aufzubringenden Flüssigkeiten auf Positionen einer Flächeneinheit der Körperfläche, Relativbewegung zwischen dem Düsenkopf (34) und der Körperoberfläche, usw. abgelegt sein.
  • 1/b zeigt Substrate (18) in Form von Flächen oder Körpern bei denen das Verfahren anwendbar ist. Das Verfahren kann in ebenen und gewölbten Oberflächen oder in Körpern oder Körperwänden umlaufend (3D) eingebracht werden.
  • 2/a, 2/b, 3 sind Darstellungen zur Erläuterung der physikalischen Wirkweise.
  • 2/a zeigt ein biegefähiges und/oder elastisches Substrat (auf dessen Ober- und Unterseite leitfähige Substanzen (10) in flüssiger Form mittels elektronisch gesteuerter Druckköpfe (34) in Tröpfchen abgegeben sind. Die Tröpfchen bilden eine leitfähige Funktionsschicht 10).
  • 2/b zeigt einen Biegevorgang eines biegsamen und/oder elastischen Substrates wobei
    • – auf der Oberseite auf Grund der sich durch Dehnung vergrößernden Substratoberfläche die darauf aufgebrachte, nicht elastische, leitfähige Funktionsschicht (10) auseinanderbricht.
    • – auf der Unterseite auf Grund der sich durch den Pressdruck der verkleinernden Substratoberfläche die darauf aufgebrachte, nicht elastische, leitfähige Funktionsschicht (10) zusammengeschoben wird und nach der Rückstellung des Substrates in die Ausgangsform Rißbildungen entstehen.
  • 3 zeigt einen Querschnitt durch ein gebogenes und/oder elastisches Substrat.
    • – auf der Oberseite des Substrates findet auf Grund der Vergrößerung des Außenradius eine Dehnung statt.
    • – auf der Unterseite des Substrates findet auf Grund der Verkleinerung des Innenradius eine Stauchung statt.
    • – die gegensätzlich wirkenden Kräfte auf den gegenüberliegenden Seiten des Substrates nehmen jeweils zur Mitte der Substratschicht hin ab.
    • – Im Mittelbereich der Schichtdicke des Substrates entsteht ein verformungsfreier Schichtbereich (16) indem die gegenwirkenden Kräfte sich gegenseitig vollständig oder nahezu aufheben.
  • Unabhängig von der Biegung des Substrates, z. B. 45 Grad bis 360 Grad, und der Materialstärke, des Substrates, z. B. 0,05 mm bis 20 mm, bleibt dieser Schichtbereich (16) verformungsfrei. Erfindungsgemäß ist dieser verformungsfreie Schichtbereich (16) in der bestgeeigneten Position um ein biegefähiges und/oder elastisches Substrat, mit einer leitfähigen, nicht elastischen Funktionsschicht (10) zu kombinieren.
  • 4/a bis 4/b, sind Darstellungen zur Erläuterung der Bildung eines Substrates mit einer integrierten Funktionsschicht
  • 4/a zeigt einen Querschnitt durch eine biegsame und/oder elastische untere Teilschicht (12) eines Substrates, auf dessen Oberseite eine leitfähige Substanz (10) in flüssiger Form mittels elektronisch gesteuerter Druckköpfe (34) in Tröpfchen aufgebracht sind. Die Tröpfchen bilden eine leitfähige Funktionsschicht.
  • 4/b zeigt einen Querschnitt durch eine biegsame und/oder elastische obere Teilschicht (14) eines Substrates, die auf die untere Teilschicht (12) in gleicher Abmessung aufgebracht wird.
  • 4/c zeigt einen Querschnitt durch das Substrat (18) wobei die Funktionsschicht (10) fest zwischen die Schichtteile eingebunden ist. Der Vorgang kann durch Druck und/oder Vakuum unterstützt werden. Die beiden Schichtteile (12 und 14) bilden an deren sich überlagernden Flächen eine geschlossene Haftverbindung und bilden dadurch ein homogenes Substrat (18).
  • Eine Möglichkeit zur Dekorierung der Oberflächen ist dadurch gegeben, indem eine Dekorschicht (42) oder Farbschicht (42) die z. B. mittels Digitaldruck (34) mit entsprechenden Haftungseigenschaften und Elastizität aufgebracht werden. Zur Haftungserhöhung kann hierbei zusätzlich eine Haftvermittlungsschicht (40) und eine weitere widerstandsfähige Schicht als Deckschicht auf die Dekorschicht (42) aufgebracht werden. Die Schichten (40), (42), (44) können auf einer Seite oder formumlaufend auf der Oberfläche eines Substrates (18) aufgebracht sein.
  • Eine erfindungsgemäße Anwendungsform wird geschaffen wenn ein biegefähiges und/oder elastisches Substrat (18) mit einer integrierten Funktionsschicht (10) zusätzlich mit einer Selbstklebeschicht (46) ergänzt wird. Hiermit wird die Möglichkeit geschaffen, dass ein biegefähiges Bauteil (18) beispielsweise mit 0.2–1 mm Dicke, an beliebiger Stelle und sofort funktionsfähig aufbringbar ist.
  • Eine Ausführungsform des Substrates (18) mit einer integrierten Funktionsschicht (10) kann als Endlosband ausgebildet sein. Definierten Abschnittsbereiche können darüberhinaus mit Funktionen belegt und durch eine Perforierung abtrennbar sein.
  • Eine nicht dargestellte, erweiterte Ausführungsform ist, wobei vor dem Auftrag der geometrischen Form der Funktionsschicht ein Isolationsschicht in einer größeren Abmessung aufgebracht wird. Nach dem Aufbringen der Funktionsschicht (10) wird darüber eine weitere Isolationsschicht aufgebracht die mit der unteren Isolationsschicht einen Mantel um die Funktionsschicht (10) bildet.
  • Eine weitere, nicht dargestellte Ausführungsform ist, bei der eine Funktionsschicht (10) auf eine in der Haftung nicht kompatible, biegsame und/oder elastische Teilschicht (12, 14) aufgebracht wird. Um eine feste Haftung zu erreichen wird eine Zwischenschicht in Form eines Haftvermittlers aufgebracht.
  • 4/d zeigt einen Querschnitt durch ein gebogenes Substrat (18) wobei die Funktionsschicht (10) frei von Press- oder Ziehkräften bleibt. Die Funktionsschicht (10) ist in dem gebildeten verformungsfreien Schichtbereich (16) dauerhaft funktionsfähig.
  • Um in einem Substrat (18) einen geringstmöglichen, verformungsfreien Schichtbereich (16) zu bilden, sind die Schichtbereiche (12 und 14) auf ihr pysikalisches Verhalten bezüglich Materialstärke, Dehnungsverhalten, Elastizität, Rückstelleigenschaften und Biegeverhalten, aneinander anzugleichen. Durch die beiden Schichtbereiche (12 und 14) wird darüber hinaus eine anliegende, elastische Kapselung um die Funktionsschicht (10) gebildet, worin das Volumen und der Volumenquerschnitt konstant bleiben. Dieses Merkmal unterstützt zusätzlich die dauerhafte Leitfähigkeit der Funktionsschicht (10). Sind die umgebenden Schichten der Funktionsschicht (10) luftundurchlässig wird das Merkmal des konstanten Volumens optimiert. Durch den Biegevorgang kann es zu Haftungslösung der Funktionsschicht (10) zu den umgebenden Wandungen des Substrates (18) kommen, was aber zu keiner Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit führt.
  • 5/a zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform wobei in den Schichtbereich eines biegefähigen und/oder elastischen Substrates (18) ein Kontaktvermittlungsbauteil (24) in Verbindung zur Funktionsschicht (10) angebracht ist.
  • 5/b zeigt einen Querschnitt der elastisch verformten 7/a wobei das Kontaktvermittlungsbauteil (24) mit Funktionsschicht (10) im Substrat (18) in der Funktion Ihrer Leitfähigkeit konstant bleibt. Erfindungsgemäß ist es hiermit möglich, wasserfeste und stoßsichere Elektro, -Elektronikbauteile (wie Schaltungen, Schaltkreise oder Leiterbahnen) herzustellen.
  • 6/a zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform wobei in einem biegefähigen und/oder elastischen Substrat (18) eine Kontaktstelle (22) zur Funktionsschicht (10) ausgespart und ein Anschlussbauteil (28) angebracht ist.
  • 6/b zeigt einen Querschnitt der elastisch verformten 6/a wobei im Substrat (18) das Anschlußbauteil (28) zur Funktionsschicht (10) in der Funktion Ihrer Leitfähigkeit konstant bleibt.
  • 7 und 8 zeigen, wie in einem Substrat (18) in den verformungsfreien Schichtbereich (16) digital aufgebrachte, leitende Strukturen (10, 11) und funktionserweiternde Elektro, -Elektronikmodule (20) funktionsergänzend ausgebildet sind.
  • Auf diese Weise lassen sich beispielsweise wasserfeste, biegefähige und/oder elastisch verformbare Elektro, -Elektronikbauteile mit einer Kontaktstelle (22) oder einem Kontaktvermittlungsbauteil (24) herstellen. Über eine Steckverbindung (26) lassen sich die Bauteile (18) weiter vernetzen.
  • 7 zeigt eine Ausführungsform bei der eine Kontaktstelle (22) zur Funktionsschicht (10) durch Ausformung des Substrates (18) gebildet ist.
  • 8/zeigt eine Ausführungsform bei der eine Kontaktstelle (22) durch Aussparung eines Schichtbereiches des Substrates (18) zur Funktionsschicht (10) gebildet ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Funktionsschicht
    11
    Leiterbahn
    12
    Substrat-Teilschicht unten
    14
    Substrat-Teilschicht oben
    18
    Substrat
    16
    Verformungsfreier Schichtbereich
    20
    Elektro, -Elektronikmodul
    22
    Kontaktstelle
    24
    Kontaktvermittlungsbauteil
    26
    Steckverbindung
    28
    Anschlußbauteil
    30
    Steuereinrichtung
    32
    Aufbringeinrichtung
    34
    Druckkopf
    36
    Träger
    40
    Dekoraufnahmeschicht
    42
    Dekorschicht
    44
    Deckschicht
    46
    Selbstklebeschicht

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen eines biegefähigen und/oder elastischen Substrates (18) mit einer leitfähigen Funktionsschicht (10) wobei, – das Substrat aus zwei sich überlagernden, biegefähigen und/oder elastischen Teilschichten (12 und 14) besteht, – zwischen den Teilschichten, auf eine Oberfläche, digital gesteuert, aushärtbare Flüssigkeitströpfchen zur Bildung einer geometrischen Abmessung einer leitfähigen Funktionsschicht (10) aufgebracht werden, – die obere Teilschicht (14) mit der unteren Teilschicht (12) und der dazwischen aufgebrachten Funktionsschicht (10) einen festen Verbund (18) bilden und – die Materialeigenschaften der substratbildenden Teilschichten (12 und 14) so aufeinander abgestimmt sind, dass sich bei einem Verbiegen des Substrates (18) die leitfähige Funktionsschicht (10) in einem verformungsminimierten Schichtbereich (16) befindet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Volumen und die Leitfähigkeit der umschlossenen Funktionsschicht (10) in der gebildeten Druckkammer zwischen den Substrat-Teilschichten (12 und 14) bei einer Verformung konstant bleiben.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei beim Auftragen der Flüssigkeitströpfchen (34) zur Herstellung einer geometrischen Abmessung eines Schichtbereiches (10), (14), (19) die Abgabe der Auftragsmengen positionsbezogen regelbar sind.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei auf die Substrat-Teilschichten (12 und/oder 14) eine Haftvermittlungsschicht (19) und/oder Isolationsschicht (19) als Zwischenschicht zur Funktionsschicht (10) aufgebracht ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in einem Substrat (18) in den verformungsfreien Schichtbereich (16) digital aufgebracht eine leitende Funktionsschicht (10, 11) und funktionserweiternd ein Elektro, -Elektronikmodul (20) eingebracht ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das biegefähige und/oder elastische Substrat (18) eine wasserfeste, formumgebende Kapselung bildet und eine Kontaktstelle (22) und/oder Steckschnittstelle (24) zur Funktionsschicht (10) mit Bestandteil ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Substrat (18) eingefärbt oder transparent ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Oberfläche des Substrates (18) zur Aufbringung eines Dekors mittels einem digitalen Druckverfahren (34) geeignet ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei auf ein biegefähiges und/oder elastisches Substrat (18) mit einer integrierten Funktionsschicht (10) eine Selbstklebeschicht (46) aufgebracht ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Ausführungsform ein biegefähiges und/oder elastisches Substrat mit einer integrierten Funktionsschicht (10, 11) als Endlosband ausgebildet ist.
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