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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von digital gesteuert aufgebrachten leitfähigen Schichtbereichen auf elastische und/oder verformbare Oberflächen von Körpern oder Bauteilen, bei denen bei elastischen Verformungen die Funktionalität der Funktionsschicht erhalten bleibt.
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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.
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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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zu schaffen, eine durch digital gesteuerte Flüssigkeitströpfchen hergestellte Funktionsschicht auf der Oberfläche eines elastischen, verformbaren Substrates aufzubringen und deren Haftung und Funktionalität mittels einer elastischen Druckkammer dauerhaft zu gewährleisten.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass in der Elektro-/Elektronikindustrie kostengünstig z. B. Leiter oder Leiterbahnen mit zuverlässiger Funktionalität auf Oberflächen von biegsamen und/oder elatischen Bauteilen oder Produkten aufgebracht werden können. Die Kombination von elastischen Schichten und nicht elastischen, leitfähigen Schichten (digital aufgebrachte Funktionsschicht) wird hiermit ermöglicht.
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Eine Lösung dieses Problems wird mit dem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
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Die Unteransprüche 2 bis 13 sind auf vorteilhafte Durchführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.
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Die Erfindung, die für unterschiedlichste Anwendungen eingesetzt werden kann, wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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Die Figuren stellen dar:
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1 eine schematische Gesamtansicht einer an sich bekannten Vorrichtung zur Beschichtung eines elastischen Substrates mit aushärtbaren Flüssigkeiten.
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2/a–2/c eine Darstellungsreihe zur Systemerläuterung einer Druckkammer. (Stand der Technik)
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3/a–3/c eine Darstellungsreihe zur Systemanwendung, zur Ausbildung einer Druckkammer.
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4 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß auf einem elastischen Substrat aufgebrachte Funktionsschicht mit einer formanpassenden, kapselbildenden Deckschicht. (Druckkammer).
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5/a einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß auf einem elastischen Substrat mit einer Haftvermittlungsschicht aufgebrachten Funktionsschicht, die von einer über die Oberfläche ausgebildeten Druckkammer eingeschlossen ist.
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5/b einen Querschnitt einer elastischen Verformung von 4/a, wobei das Volumen der Funktionsschicht in der Druckkammer unverändert bleibt.
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6 eine Darstellung von erfindungsgemäßen Ausführungsformen zur Bildung einer Druckkammer auf einem elastischen Substrat und dessen Verformbarkeit.
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7/a einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform wobei auf einer ausgesparten Kontaktstelle zur Funktionsschicht ein Kontaktvermittlungsbauteil angebracht ist.
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7/b einen Querschnitt einer elastischen Verformung von 6/a wobei die Funktionsschicht mit Kontaktvermittlungsbauteil in der Druckkammer unverändert bleibt.
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8/a eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäß versehene, elastische Substratoberfläche mit funktionserweiternden Elektro-Elekronikmodulen, wobei eine Kontaktstelle ausgeformt ist.
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8/b eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäß versehene, elastische Substratoberfläche mit funktionserweiternden Elektro-Elekronikmodulen, wobei in der Deckschicht eine Kontaktstelle ausgespart ist.
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Das Verfahren findet bevorzugt dort Anwendung, wo mittels Digitaldruckprozess, Elektrik oder Elektronik (Funktionsschichten), wie beispielsweise Schaltungen, Schaltkreise oder Leiterbahnen, auf elastische, biegsame, rollbare oder verformbare Materialien, in Form von Flächen (Vor- und Rückseite) oder Oberflächen von Körpern, wie Bauteilen oder Industriegütern mit dauerhafter Funktionalität, aufzubringen sind. Nach diesem Verfahren kann eine Funktionsschicht (10) beispielsweise auf biegefähigen und/oder elastischen Substraten (16) aufgebracht werden, wobei nach einem mehrmaligen Verbiegen um mehr als 45 Grad oder nach einem mehrmaligen Rollvorgang um 360 Grad, die Funktionsschicht (10) in der Kapselung (12) keine Beeinträchtigungen aufweist.
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Beispiele für geeignete Substrate (16) sind:
- – 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 Materialien, die aus Materialkombinationen bestehen.
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1/a zeigt eine Vorrichtung zum Beschichten eines biegbaren und/oder elastischen Subtrates mit aushärtbare Flüssigkeiten,
mit einer Aufbringeinrichtung (32),
einer Halterung (36) zum Halten oder Führen einer Fläche (16) oder eines Bauteils (16),
einer Bewegungseinrichtung (36), mittels der die Oberfläche des Substrat (10) relativ zu der Aufbringeinrichtung (32) bewegbar ist,
sowie eine Härteeinrichtung und eine Messeinrichtung.
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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 wie Haftvermittlungsschicht (19), Funktionsschicht (10) und Deckschicht (14) 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, sodass 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 der Oberfläche des Subtrates (16) abspritzbar sind. 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 (16) 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 der Körperoberfläche (16) 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 (16), 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 (16), usw. abgelegt sein.
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1/b zeigt Substrate in Form von Flächen oder Körpern worauf das Verfahren anwendbar ist. Das Verfahren kann auf ebenen und gewölbten Oberflächen auf Vorderseite und/oder Rückseite, oder auf Körpern umlaufend (3D) aufgebracht werden.
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2/a–2/c eine Darstellungsreihe zur Systemerläuterung einer Druckkammer.
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2/a zeigt, wie sich Sandgranulat in einem auf beiden Seiten offenen Metallzylinder befindet.
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2/b zeigt einen Biegevorgang des auf beiden Seiten offenen Metallzylinders. Die Röhre wird im oberen Mantelbereich überdehnt und es kommt eventuell zu einer Bruchbildung. Desweiteren bildet sich in der Röhre eine Kantstelle wobei die obere und untere Seite der Röhrenwand zusammengedrückt werden. Es findet eine Volumenreduzierung in der Röhre statt, was zur Folge hat, dass das Sandgranulat, welches sein Volumen nicht verändern kann, über die beiden unverschlossenen Seiten austritt.
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2/c zeigt den selben Biegevorgang eines mit Sandgranulat gefüllten Metallzylinders dessen Seitenöffnungen verschlossen sind „Kapselbildung” (12). Das Resultat ist, dass im Zylinder keine einfallenden Wände auftreten. Es findet eine Stretchung/Dehnung im Zylindermantel statt. Das Volumen im Zylinder und das Volumen des Sandgranulats bleiben konstant. Unter Berücksichtigung dieser physikalischen Merkmale wird unter 3/A–3/c das Aufbringen von leitfähigen Substanzen auf biegsamen und/oder elatischen Substraten mit der Bildung einer darüberliegenden Druckkammer (12) dargestellt.
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3/a–3/c eine Darstellungsreihe zur Systemanwendung zur Ausbildung einer Druckkammer.
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3/a zeigt ein verformbares und/oder elastisches Substrat (16) auf dessen Oberfläche leitfähige Substanzen (10) in flüssiger Form mittels elektronisch gesteuerter Druckköpfe (34) in Tröpfchen abgegeben sind. Die Tröpfchen bilden eine leitfähige Funktionsschicht (10).
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3/b zeigt einen Biegevorgang eines biegsamen und/oder elatisches Substrates (16) wobei auf Grund der sich durch Dehnung vergrößernden Substratoberfläche die darauf aufgebrachte nicht elastische, leitfähige Funktionsschicht (10) auseinander bricht.
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3/c zeigt den selben Biegevorgang eines biegsamen und/oder elatisches Substrates (16). Auf dessen Oberfläche ist eine nicht elastische, leitfähige Substanz (10) aufgebracht die von einer elastischen Deckschicht, die eine Druckkammer (12) bildet, umschlossen wird. Da sich in der geformten Druckkammer das Volumen der leitfähigen Substanz (10) nicht verändern kann, bleibt die Funktionalität auch im Biegevorgang konstant. Elastische Deckschicht (14) und Substratoberfläche (16) bilden an den sich überlagernden Flächen (18) eine geschlossene Haftverbindung. Die Zeichnung zeigt eine Ausführungsform mit einem vergrößerten Randbereich (18). Bei einem Vorgang durch Biegen und/oder Verformen ist die Deckschicht in ihrem Dehnungsverhalten (Elastizität, Rückstelleigenschaften, Biegeverhalten und Zieheigenschaften) dem Dehnungsverhalten des Substrats angepaßt. Deckschicht und Substrat bilden ein homogenes Verhalten.
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Durch den Biegevorgang kann es zu einer Haftungslösung der Funktionsschicht (10) von der Substratoberfläche (16) kommen. Desweiteren können sich die leitfähigen Partikel in der Druckkammer (12) durch die auftretenden Kräfte untereinander neu positionieren, doch beide Veränderungen führen zu keiner Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit, Durch das unveränderte leitfähige Volumen in der Druckkammer bleibt die Leitfähigkeit konstant.
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4 zeigt einen Querschnitt eines biegsamen und/oder elatischen Substrates (16) auf dessen Oberfläche im Digitaldruck aufgetragene leitfähige Substanzen (10) eine nach geometrischer Abmessung aufgebrachte Leiterbahn (11) bilden. Eine verformbare und/oder elatische Deckschicht (14) ummantelt die geometrische Abmessung der Funktionsschicht über einen Randbereich (18) und bildet eine geschlossene Kapselung (12) zur Substratoberfläche (16). Deckschicht (14) und Substrat (16) bilden an den sich kontaktierenden Flächen im Randbereich (18) eine geschlossene Haftverbindung.
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5/a zeigt eine erweiterte Schnittdarstellung zu 4. In der gezeigten Ausführungsform ist der vergrößerte Randbereich (18) der Druckkammer (12) der geometrischen Form der Funktionsschicht (10) angepaßt.
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Eine weitere Ausführungsform ist, bei der der vergrößerte Randbereich (18) der Druckkammer (12) der geometrischen Abmessung der Oberfläche des Substrates angepaßt (16) ist. Eine weitere, nicht gezeigte Ausführungsform ist, bei der der Substratkörper auf mehreren Seiten oder komplett von der Deckschicht (14, 18) umschlossen wird. Desweiteren wird dargestellt, dass zwischen Substrat (16) und Funktionsschicht (10)/Deckschicht (14) eine Zwischenschicht (19) mit isolierenden und/oder haftvermittelnden Eigenschaften angeordnet ist.
- – Wird eine Funktionsschicht (10) auf ein leitfähiges Substrat (16) aufgebracht, ist um eine kontrollierte Funktion zu erreichen, eine Zwischenschicht in Form eines Isolators (19) aufzubringen. Der Isolator (19) weist gleichzeitig die Merkmale eines Haftvermittlers auf.
- – Wird eine Deckschicht (14) auf ein in der Haftung nicht kompatibles Substrat (16) aufgebracht, ist um eine feste Haftverbindung des Randbereiches (18) zu erreichen, eine Zwischenschicht in Form eines Haftvermittlers (19) aufzubringen.
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Für die Anwendungsform, bei der die zu beschichtende Substratoberfläche (16) keine leitenden Eigenschaften besitzt, beispielsweise eine Kunsstofffolie oder Papierart, kann der Randbereich (18) eine direkte Haftverbindung zum Substrat (16) ohne eine zusätzliche Trägerschicht (19) bilden.
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5/b zeigt einen Querschnitt einer elastisch verformten Darstellung der 5/a. Durch die Verformung findet in der Druckkammer keine Reduzierung des Querschnittes oder des Volumens statt. Das Volumen der leitfähigen Substanz bleibt in der gebildeten Druckkammer konstant. Ein wesentliches Merkmal der Deckschicht (14) ist ihre elastische Verformbarkeit und deren Rückstelleigenschaft in ihre Ausgangsform. Im Biegevorgang findet durch den sich vergrößernden Außenradius eine Dehnung der Oberfläche statt. Das bedeutet für die Deckschicht (14), dass sie ähnlich einem Gummiband, das fest am Substrat anliegend bleibt, durch die Dehnung nur ihre Schichtdicke verringert, das Volumen in der Druckkammer aber konstant bleibt. Das Volumen in der Druckkammer (12) bleibt bei einer Verformung konstant, wenn keine Luftentweichung oder Luftzuführung möglich ist. Von weiterem Vorteil ist, wenn die Funktionsschicht (10) in der Druckkammer (12) vakuumisiert ist.
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Deckschicht (14) und Substrat (16) bilden bezüglich deren Eigenschaften (Verformbarkeit/Elastizität) ein homogenes Verhalten (Materialsandwich). Diese Verformungen und Rückstellungen der Funktionsschicht (10) in der Druckkammer (12) sind ohne Beeinträchtigung ihrer Leitfähigkeit beliebig durchführbar.
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6 zeigt eine Darstellung zur Herstellung einer biegsamen und/oder elatischen Deckschicht (14). Folgende Verfahren werden dargestellt:
- – Deckschicht-digital (40) wobei Substanzen in flüssiger Form mittels elektronisch gesteuerter Druckköpfe (34) in Tröpfchen aufgetragen werden. Die Tröpfchen bilden nach ihrer Trocknung eine biegsame und/oder elatische Deckschicht (14).
Durch die mengenregelbare Abgabe der Flüssigkeitströpfchen auf der geometrischen Abmessung der Deckschicht ist eine Formbildung bezüglich Schichtdicke und Wandstärke (18) der Druckkammer (12) herstellbar.
Digital abspritzbare Materialien für die Deckschicht (14) können vorzugsweise auf Basis wasserbasierender (z. B. Acryl), lösungsmittelbasierender (z. B. Kunstharze), oder UV-härtender Substanzen bestehen.
Die Flüssigkeiten zur Deckschichtbildung (14) können farblos oder mit inkjetfähigen Farbpigmenten eingefärbt sein.
- – Deckschicht-Formfolie (42) wobei eine verformbare und/oder elastische Folie die Deckschicht bildet. Zur Bildung einer Kapselung (12) der Funktionschicht (10) ist ein Vakuumverfahren, Tiefziehverfahren oder Pressvorgang zur Umsetzung einsetzbar.
- – Deckschicht -Flüssigkeit (44) wobei eine flüssige Substanz mittels Sprühen, Tauchen oder Walzen aufgetragen wird und nach deren Aushärten eine verformbare und/oder elastische Druckkammer (12) bildet.
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Varianten der Deckschichtgeometrien sind:
- – Die Deckschicht (14/1) ist den geometrischen Abmessungen der Funktionsschicht (10) angepaßt
- – Die Deckschicht (14/2) ist den geometrischen Abmessungen der Substratoberfäche (16) angepaßt.
- – Nicht dargestellt ist eine Ausführungsform bei der die Deckschicht über mehrere Seiten, einen Körper oder eine Fläche umschließend bedeckt.
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7/a zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform, wobei auf einer ausgesparten Kontaktstelle in der Druckkammer (12) zur Funktionsschicht ein Kontaktvermittlungsbauteil (24) mit angebracht ist. 7/a und 7/b zeigt einen Querschnitt einer elastisch verformten Darstellung der Figur 7/a, wobei bei der Verformung der Sandwichkomponenten, die Druckkammer mit dem integrierten Kontaktvermittlungsbauteil die Funktion beibehält.
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8/a und 8/b zeigen, wie auf einer Fläche oder einem Körper (16) funktionserweiternde, Elektro, -Elektronikbauteile (20) und digital aufgebrachte leitende Strukturen (10, 11) von einer Deckschicht (14) überlagert werden, in der mehrere zusammenhängende Druckkammern (12) ausgebildet sind. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise gekapselte, wasserfeste, elastisch verformbare Elektro, -Elektronikbauteile mit einer Kontaktstelle (22) oder einem Kontaktvermittlungsbauteil (24) herstellen. Über eine Steckverbindung (26) lassen sich die Bauteile weitervernetzen.
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8/a zeigt eine Ausführungsform bei der eine Kontaktstelle (22) auf der Ausformung des Substrates gebildet ist.
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8/b zeigt eine Ausführungsform bei der eine Kontaktstelle (22) durch Aussparung der Deckschicht (12) gebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Funktionsschicht/leitfähige Substanz
- 11
- Leiterbahn
- 12
- Druckkammer
- 14
- Deckschicht
- 16
- Substrat
- 18
- Randbereich
- 19
- Haftvermittler/Isolator
- 20
- Elektro, -Elektronikmodul
- 22
- Kontaktstelle
- 24
- Kontaktvermittlungsbauteil
- 26
- Steckverbindung
- 30
- Steuereinrichtung
- 32
- Aufbringeinrichtung
- 34
- Druckkopf
- 36
- Träger
- 40
- Deckschicht-digital
- 42
- Deckschicht-Formfolie
- 44
- Deckschicht-Flüssigkeit
